通过简单的单锅合成方法制备HRP/ZIF-8生物复合材料，可显著提升其酶活性、稳定性和重复使用性能

《Next Research》：Facile one-pot synthesis of HRP/ZIF-8 bio-composite for enhanced enzymatic activity, stability, and reusability

酶固定化技术及生物复合材料开发研究。采用原位共沉淀法制备了ZIF-8-HRP生物复合材料，通过表征证实其结构稳定性和催化性能显著提升，HRP催化活性提高46.53%，循环五次后仍保持82%活性。

　　

塔努·普里娅·苏德（Tanu Priya Sood）|尼迪·西克里（Nidhi Sikri）|瓦尼什·库马尔（Vanish Kumar）|乔特萨娜·梅塔（Jyotsana Mehta）

印度帕蒂亚拉（Patiala）147004，塔帕尔工程与技术学院（Thapar Institute of Engineering and Technology）生物技术系

摘要

酶的固定是提高其性能和商业/实际应用价值的重要步骤。通常，将酶固定在合适的载体上可以增强其稳定性、生物催化活性和可重复使用性。尽管在酶固定技术上取得了显著进展，但仍有潜力找到更合适的、高效的载体来进一步提升酶的相关性和有效性。在本研究中，我们通过简便的一步法原位固定（共沉淀法）技术，制备了沸石咪唑框架-8（ZIF-8）与辣根过氧化物酶（HRP）的生物复合材料。利用紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、布鲁诺-埃梅特-泰勒（BET）比表面积分析、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等多种技术对所制备的材料进行了全面表征。结果表明，将酶封装在ZIF-8中显著提高了其活性和稳定性。特别是，固定后的HRP催化活性比游离态提高了46.53%；经过五次重复使用后，其剩余活性仍保持在约82%。

引言

酶是一种生物催化剂，通过与底物结合来加速反应速率[1]。根据应用规模的不同，酶的应用范围可以从实验室扩展到工业领域。预计到2032年，全球工业酶市场的价值将达到约42亿美元[2]。在众多可用的酶中，辣根过氧化物酶（HRP）因其卓越的生物催化活性而备受关注。该酶含有血红素基团（主要活性位点），在过氧化氢的作用下能够氧化多种有机和无机分子[3]。其中，血红素基团是HRP催化活性的关键因素。此外，HRP结构中的糖基化位点和二硫键对其稳定性也至关重要[4]。HRP常用于酶联免疫吸附测定（ELISA）和Western blotting实验，因为它能与显色或化学发光底物产生可见信号。此外，它还应用于生物传感器、生物修复、蛋白质和核酸检测[5]；与化学漂白剂相比，HRP也是更安全的织物漂白选择[6]。有趣的是，使用HRP甚至可以在不添加氯的情况下漂白纸浆[7]。总体而言，HRP对食品、制药、生物传感器、能源和医药等多个行业都具有潜在价值。酶通常有两种形式：（1）可溶性；（2）固定化形式。可溶性酶由于保质期短、易碎、不可重复使用、对变性化学物质敏感以及储存稳定性差，限制了其潜在用途的充分发挥[6]。固定化酶可以一定程度上解决上述问题[7]。酶固定是一种关键工艺，通过将酶固定在支撑材料上来使其在多次循环中保持催化能力[8]。研究发现，固定化后酶的热稳定性、化学稳定性和储存稳定性显著提高[9]，同时提高了酶的可重复使用性，从而降低了商业酶工艺的整体成本[10,11]。目前，常用的酶固定方法包括吸附、共价偶联、包封和交联[12]。然而，酶固定也存在一些挑战，如可能的渗漏问题、需要使用合成化学试剂以及载体或底物的选择有限[13]。选择合适的载体/底物时，生物相容性、成本、惰性、高表面积与体积比、可调孔隙率、剩余酶活性以及固定后酶结构的完整性等参数至关重要[12,14]。近年来，基于纳米材料的酶固定载体成为一种新兴且备受青睐的方法[15]。纳米材料具有优异的表面积与体积比、高孔隙率和多种功能，为酶固定提供了大量结合位点[16]。固定在纳米材料上的酶表现出更高的稳定性、可重复使用性和催化效率，在生物催化、生物传感、药物递送和环境污染物修复中发挥着重要作用。利用纳米材料进行酶固定具有成本效益，因为这些材料提高了酶的可重复使用性并减少了浪费[17]。许多纳米材料，如磁性纳米颗粒、碳纳米管、氧化石墨烯和介孔二氧化硅，已被广泛用于酶固定[18]。最近，金属有机框架（MOFs）在酶固定方面引起了广泛关注。MOFs是由金属离子和有机配体组成的结晶性无机-有机杂化材料，具有多种独特性质[19]。这些材料具有可调孔径、高表面积和优异的化学及热稳定性。与沸石、二氧化硅和碳质材料不同，MOFs能够根据具体应用调整其形态和功能[20]。MOFs中的金属离子和有机配体作为辅助因子，可增强固定酶的催化活性。MOF框架的屏蔽作用有助于维持酶的结构构象，从而提高其整体稳定性[21,22]。研究表明，酶-MOF复合材料在提高酶的可重复使用性和催化效率方面具有显著优势[23]。迄今为止，多种酶（如脂肪酶、过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶和碳酸酐酶）已成功固定在MOF结构上[19],[24],[25],[26]。研究人员探索了多种将酶固定在MOF上的方法，包括原位包封、共价连接、表面功能化和共沉淀[20,23]。其中，沸石咪唑框架-8（ZIF-8）是一种非常有效的酶固定载体[19,21,27]。此前已有研究使用ZIF-8通过包封固定根霉菌脂肪酶（[27]）、通过自组装固定β-内酰胺酶（[28]）以及通过化学修饰固定HRP（[29]）。然而，据作者所知，目前尚无关于在常温条件下无需任何化学试剂即可将HRP原位包封到生物相容、低成本且稳定的MOFs中的报道，从而实现活性、稳定性和可重复使用的提升。

因此，在本研究中，我们在常温条件下通过原位包封方法将HRP固定在长条形ZIF-8 MOF结构中，未使用任何化学试剂或连接剂。将HRP@ZIF-8生物复合材料的性能与纯ZIF-8进行了比较。采用紫外-可见光谱（UV-vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、比表面积分析和电子显微镜对材料进行了表征，并评估了固定HRP的酶活性、可重复使用性和稳定性，并与游离HRP进行了对比。

材料

磷酸二氢钾（KH₂PO₄）、磷酸二钾（K₂HPO₄）和牛血清白蛋白（BSA）购自美国Sigma-Aldrich公司。六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂.6H₂O）、2-甲基咪唑（MeIm）、五水合硫酸铜（CuSO₄.5H₂O（4%溶液）和比色酸（BCA）分别从Sisco Research Laboratories（SRL，印度）、Loba Chemie Pvt. Ltd.（印度）、Hi Media（印度）和TCI Chemicals（印度）购买。Amplite^R比色试剂也用于实验。

结果与讨论

合成的MOF和HRP@ZIF-8（或称生物MOF）通过多种技术进行了表征，包括紫外-可见光谱（Shimadzu UV-1900i）、傅里叶变换红外光谱（Shimadzu Lab Solutions IR，日本京都）、X射线衍射（Cu-Kα，1.54 ?，2θ = 0°至90°，Smart Lab，日本东京）、布鲁诺-埃梅特-泰勒（BET）比表面积分析（Quantachrome AsiQwin，美国佛罗里达）以及场发射扫描电子显微镜（Carl Zeiss Sigma 500型号，德国）。

结论

尽管酶作为催化剂具有高效率和选择性，但在极端条件下仍存在不稳定性、活性逐渐下降以及回收和重复使用过程中出现并发症等问题。将酶固定在固体载体上可以克服这些问题，为商业应用开辟新途径。此外，体外固定方法相比原位固定方法，酶与载体的相互作用较弱，催化活性也较低。

CRediT作者贡献声明

塔努·普里娅·苏德（Tanu Priya Sood）：撰写初稿、数据可视化、验证、软件开发、方法设计、实验研究、数据分析。尼迪·西克里（Nidhi Sikri）：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析。瓦尼什·库马尔（Vanish Kumar）：审稿与编辑、撰写初稿、数据验证、实验监督、方法设计、资金申请、概念构思。乔特萨娜·梅塔（Jyotsana Mehta）：审稿与编辑、撰写初稿、数据可视化、数据验证、实验监督、方法设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

JM感谢TIET新兴材料卓越中心（TIET-CEEMS/SEED/2023/21）和TIET SEED项目（TU/DORDC/652）对本研究的财务支持。VK感谢国家农业食品与生物制造研究所（NABI）提供的核心资助。