共价有机框架材料固定化脂肪酶的多尺度模拟研究：吸附机制与构效关系

针对酶固定化载体选择难题，研究人员通过平行回火蒙特卡洛（PTMC）和分子动力学（MD）模拟，系统研究了南极假丝酵母脂肪酶B（CalB）在功能化TpPa-X COFs（TpPa-1/TpPa-AMC2NH2/TpPa-AMCOOH）表面的吸附行为。发现TpPa-AMCOOH能定向暴露CalB活性位点且保持构象稳定，为设计高效生物催化剂提供了理论依据。

　　

酶固定化技术是提升工业生物催化剂稳定性和重复利用性的关键策略，但传统载体材料如金属有机框架（MOFs）和介孔二氧化硅存在酶泄漏、构象畸变等问题。共价有机框架（COFs）因其可定制的孔道结构和优异的化学稳定性成为新兴候选材料，然而其与酶的相互作用机制尚不明确。为此，中国研究人员通过多尺度模拟技术，首次揭示了功能化COFs对脂肪酶的吸附规律。

研究采用平行回火蒙特卡洛（PTMC）筛选吸附构型，结合全原子分子动力学（MD）模拟分析界面相互作用。结果显示：CalB在三种TpPa-X表面均能稳定吸附，结合强度依次为TpPa-AMC2NH₂ > TpPa-AMCOOH > TpPa-1。关键发现是TpPa-AMCOOH能诱导CalB活性中心朝向溶液，且酶构象波动半径（RMSF）小于1.5 ?，这种"定向固定化"特性使其催化效率提升30%。

Result and discussion

1. 吸附取向分析：PTMC模拟表明功能化COFs使CalB取向更集中，TpPa-AMCOOH表面57%构型为活性中心外露；
2. 能量驱动机制：结合能分解显示TpPa-AMC2NH₂的静电相互作用占优（-128.5 kcal/mol），而TpPa-AMCOOH依赖疏水相互作用；
3. 构象稳定性：二级结构含量保持率>90%，α-螺旋"盖子"（lid）区域未发生明显解旋；
4. 界面水合作用：TpPa-AMCOOH表面形成有序水分子层，减少酶-载体直接接触导致的变性风险。

Conclusions
该研究证实COFs功能化修饰可精准调控脂肪酶吸附行为，其中TpPa-AMCOOH通过优化界面水合环境与静电匹配，实现了酶活性与稳定性的协同提升。这不仅为COFs载体设计提供了分子水平指导，更开辟了计算机辅助生物催化剂开发的新范式。论文发表于《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》，通讯作者Zhao Daohi团队强调，该策略可扩展至其他工业酶固定化体系。