基于二维金属有机框架的聚集诱导构象锁定策略高效激活脂肪酶生物催化剂

为解决脂肪酶因"盖子"构象导致催化效率受限的问题，研究人员开发了一种基于二维金属有机框架(MOF)的聚集诱导构象锁定(ACL)策略。通过溶剂介导的聚集使脂肪酶自激活为开盖构象，并在Zn-HHTP MOF中原位锁定该构象，所获生物催化剂水解效率达天然酶的5.30倍，创下目前报道的最高活化效率记录。该研究为设计高性能酶催化剂提供了新思路。

　　

脂肪酶作为最重要的工业生物催化剂之一，2020年全球市场价值已达5.905亿美元。然而其催化效率常受限于"盖子"构象——活性中心被一个可移动的α螺旋"盖子"覆盖，虽然这种结构赋予了脂肪酶优异的热稳定性，却也限制了底物接近活性中心。如何在不破坏酶稳定性的前提下实现"盖子"构象的有效调控，成为提高脂肪酶催化效率的关键科学问题。传统方法如纳米载体表面固定存在酶易流失的问题，而基于网状化学的纳米孔限策略又面临孔道设计复杂、酶取向不可控等挑战。

针对这些难题，中山大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究，提出了一种聚集诱导构象锁定(ACL)策略。该策略巧妙地利用脂肪酶在有机溶剂中的聚集行为诱导其构象变化，再通过二维金属有机框架(MOF)的原位封装锁定活化构象，成功开发出催化效率显著提升的脂肪酶杂化生物催化剂。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：(1)通过溶剂介导的蛋白质聚集诱导脂肪酶构象变化；(2)开发温和条件下合成二维金属有机框架Zn-HHTP的方法；(3)结合多种光谱技术(荧光光谱、FT-IR)和分子动力学模拟表征构象变化；(4)利用小角X射线散射(SAXS)分析MOF限域下的酶聚集状态；(5)建立核磁共振监测的酯化/转酯化反应评价体系。

研究结果部分，首先在"脂肪酶通过聚集自激活"章节中，研究人员发现脂肪酶在正丙醇和异丙醇等高含量有机溶剂中会发生聚集，并意外地表现出自激活现象。通过荧光光谱和分子动力学模拟证实，聚集导致脂肪酶"盖子"链构象改变，使催化三联体(Ser-His-Asp)的可及性显著提高，活性口袋从3.62?扩大到7.13?。

在"开发原位二维MOF酶封装方法"章节，研究人员设计了一种温和的Zn-HHTP合成方法，该二维MOF具有1.90nm的直通孔道。与传统的ZIF-8相比，Zn-HHTP封装的各种酶(包括脂肪酶、葡萄糖氧化酶等)都保持了接近天然酶的活性，证实了其作为酶载体的优越性。

"在二维Zn-HHTP中锁定自激活脂肪酶聚集体"章节展示了ACL策略的核心成果。通过SAXS分析确认脂肪酶聚集体被成功锁定在MOF中，其回转半径(R_g)远大于单个脂肪酶分子。动力学分析显示，锁定后的脂肪酶对硝基苯丁酸酯(p-NPB)水解的催化效率(k_cat/K_m)达到天然酶的5.30倍，创下了目前报道的脂肪酶杂化生物催化剂的最高活化效率记录。

在"通过激活的转酯化和酯化反应合成高价值酯"的应用验证部分，研究证明ACL策略制备的催化剂在多种重要工业反应中表现优异。在转酯化反应中，使用苄醇衍生物为底物时，产率比天然酶提高2.21-6.64倍；在油酸与脂肪醇的酯化反应中，24小时产率达94.15%，且经过5次循环后仍保持85%的活性。放大实验证实了该策略的工业化潜力，十倍放大后仍能获得87.57-93.40%的转化率。

这项研究的意义在于：(1)提出了一种简单高效的酶构象调控新策略，避免了传统方法中复杂的孔道设计和不可预测的界面激活过程；(2)开发的二维MOF限域方法实现了酶聚集体的有效固定和高活性保持；(3)为工业生物催化提供了性能优异的杂化催化剂，在生物燃料、制药等重要领域具有应用前景。该工作不仅为脂肪酶的工程化改造提供了新思路，其ACL策略也有望拓展到其他构象敏感的酶系统，推动生物催化技术的发展。