通过缺陷工程设计的金属有机框架并对其进行内部环境修饰，实现蜗牛酶的固定化以催化人参皂苷CK的反应

《Applied Nursing Research》：Immobilization of snailase for ginsenoside CK catalysis via defect-engineered metal-organic framework with internal environment modification

金属有机框架结构缺陷工程与天冬氨酸修饰协同提高酶固定化活性及稳定性，实现转化效率6.06倍提升和7次循环操作后75.25%活性保持。

　　这项研究聚焦于如何通过结构缺陷的调控和内部环境的优化，提升酶在极端环境下的催化活性与稳定性。金属–有机框架（MOFs）因其独特的物理化学性质，如高比表面积、可调控的孔结构和良好的生物相容性，被认为是酶固定化与再利用的理想载体。然而，传统MOF载体在酶固定化过程中仍面临显著挑战，尤其是如何在保持酶活性的同时，增强其稳定性。为此，研究团队提出了一种创新性的策略，通过引入结构缺陷并结合特定分子修饰，构建出更有利于酶分子稳定和高效反应的微环境。

在自然环境中，许多酶在细胞内通过特定的结构和功能区域实现高效的催化反应。然而，当这些酶被固定在非天然环境中时，其活性和稳定性往往会受到载体结构的影响。尤其是在工业催化或生物医学应用中，酶需要在高温、高湿或强酸强碱条件下持续发挥作用，这对酶的结构完整性提出了更高要求。目前，已有多种策略用于酶的固定化，包括表面吸附、共沉淀和原位封装等。这些方法虽然在一定程度上改善了酶的稳定性，但在提升催化效率方面仍有局限，尤其是在高负载量和长时间循环使用的情况下，酶的活性往往会因载体结构的不匹配或内部传质受限而下降。

为了解决这一问题，研究团队采用了一种基于结构缺陷的策略，设计并合成了一种具有可控结构的金属–有机框架材料，即Sna@MOF复合材料。这种材料通过非经典成核模型形成，其初始阶段形成了亚稳态的无定形结构，从而在后续的结晶过程中表现出不同的性能特征。无定形结构相较于传统晶体结构具有更灵活的孔道和更丰富的介孔结构，这有助于提高底物的传质效率，减少反应过程中的传质阻力。同时，这种结构的不规则性也有助于形成更均匀的内部环境，避免因载体与介质之间的物理差异导致的浓度梯度和分布不均。

为了进一步优化酶的微环境，研究团队在无定形MOF的基础上引入了天冬氨酸（Asp）作为修饰剂。天冬氨酸是一种具有亲水性和电荷特征的氨基酸，其引入可以有效调节MOF内部的环境条件，如pH值、水分子分布以及非共价相互作用的强度。通过这种修饰，酶分子能够在MOF内部获得更稳定的构象，从而在极端条件下保持较高的催化活性。实验结果显示，Asp修饰后的无定形MOF（Asp@aZIF-Sna）表现出显著优于其晶体对应物（Asp@cZIF-Sna）的催化性能。在80°C的高温条件下，Asp@aZIF-Sna仍能保留44.77%的活性，而在七次循环催化后，其活性仍保持在75.25%的水平。相比之下，未修饰的晶体MOF在相同条件下活性大幅下降，表明Asp的引入对提升酶的稳定性具有重要作用。

此外，Asp@aZIF-Sna在转化稀有人参皂苷方面的表现尤为突出。在48小时内，该复合材料实现了高达88.18%的转化率，是传统ZIF-8封装酶复合物转化率的6.06倍。这一结果不仅验证了结构缺陷与分子修饰协同作用的有效性，也为工业级酶催化反应提供了新的思路。人参皂苷CK作为一种重要的天然产物，因其广泛的药理活性和低自然丰度，成为生物催化研究的热点。然而，传统提取方法效率低下，难以满足大规模生产的需求。通过Asp@aZIF-Sna的高效催化性能，有望实现人参皂苷CK的可持续生产，同时减少对植物资源的依赖和对环境的负担。

研究团队在实验设计中采用了多种表征手段，包括表面形貌分析、结构表征以及催化性能测试等。通过这些手段，研究人员能够全面评估Asp@aZIF-Sna的物理化学特性及其对酶性能的影响。例如，表面形貌分析显示，Asp修饰后的MOF材料具有更均匀的孔道分布和更稳定的结构，这为酶的高效封装和稳定运行提供了良好的基础。同时，催化性能测试结果表明，Asp@aZIF-Sna不仅在高温条件下表现出优异的稳定性，还能在多次循环使用后维持较高的催化效率，显示出其在工业应用中的巨大潜力。

本研究的创新之处在于，通过结构缺陷的调控和分子修饰的结合，成功构建了一种新型的酶固定化载体。这种策略不仅解决了传统MOF载体在酶固定化过程中面临的活性与稳定性之间的矛盾，还为其他类似生物催化体系的优化提供了理论支持和实践指导。此外，研究还揭示了无定形结构在酶催化中的独特优势，包括更灵活的孔道结构、更均匀的内部环境以及更高效的底物传质能力。这些发现为未来开发高性能的生物催化剂提供了新的方向，也为绿色化学和可持续生物制造技术的发展奠定了基础。

从实际应用角度来看，Asp@aZIF-Sna的成功开发为生物催化领域带来了重要的突破。它不仅能够有效提升酶的催化效率和稳定性，还能在不依赖植物源的情况下实现稀有天然产物的高效合成。这对于推动生物制药、绿色化学和生物能源等领域的技术进步具有重要意义。此外，该策略还可以拓展至其他类型的酶和生物催化剂，为更广泛的工业应用提供技术支持。

在研究过程中，团队还探讨了多种可能的优化路径，以进一步提升Asp@aZIF-Sna的性能。例如，通过调整Asp的修饰比例和MOF的合成条件，可以更精确地调控内部环境，从而实现对不同酶分子的适应性优化。同时，研究还指出，结构缺陷的引入虽然有助于提高催化性能，但过量的缺陷可能会导致材料的机械强度下降，因此需要在缺陷调控与材料稳定性之间找到最佳平衡点。此外，团队还通过动力学计算和实验验证，深入分析了Asp与MOF之间的相互作用机制，为后续的结构设计和性能优化提供了理论依据。

总体而言，这项研究通过创新性的结构设计和分子修饰策略，成功提升了酶在极端环境下的催化性能和稳定性。其核心在于利用结构缺陷和内部环境调节的协同作用，为酶的固定化和再利用提供了新的解决方案。这一成果不仅在理论层面拓展了对MOF材料在生物催化中应用的理解，也在实际应用中展示了其巨大的潜力。未来，随着相关技术的进一步发展，Asp@aZIF-Sna有望成为一种高效的生物催化剂，为绿色化学和可持续生物制造技术提供强有力的支持。