《Coordination Chemistry Reviews》：Metal-organic frameworks (MOFs) at living microbial interfaces: dynamic coordination, interfacial assembly, and structure-function relationships
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•微生物表面被重新定义为动态的配位活性界面。•金属形态分布和前驱体演化主导了界面导向的MOF组装。•配位窗口平衡了界面键合、物质传输和细胞耐受性。•保护-释放悖论将框架化学与功能恢复联系起来。•一个配位-递送-功能框架指导了益生菌MOF设计。引言活微生物正越来越多地被整合到工程材
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微生物表面被重新定义为动态的配位活性界面。
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金属形态分布和前驱体演化主导了界面导向的MOF组装。
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配位窗口平衡了界面键合、物质传输和细胞耐受性。
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保护-释放悖论将框架化学与功能恢复联系起来。
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一个配位-递送-功能框架指导了益生菌MOF设计。
引言
活微生物正越来越多地被整合到工程材料中，用于生物催化、环境生物技术和治疗递送等目的。然而，它们的有效性常常受到环境胁迫的阻碍，这些胁迫会损害细胞活力、代谢活性或功能稳定性。这一问题对于口服益生菌尤为重要，因为益生菌在发挥菌株特异性生物学效应之前，必须承受加工、储存以及胃肠道转运的严酷条件[1], [2]。包括多糖水凝胶、微胶囊和表面涂层在内的传统保护策略已被开发用于增强微生物的存活[3]。然而，保护作用并不仅仅取决于材料本身。细胞-材料界面的化学和物理相互作用可以显著影响膜完整性、分子转运和后续细胞活性[4]。
金属有机框架（MOFs）为构建此类界面提供了一个化学上多功能的平台。它们的结构是通过金属离子或簇与有机连接体之间的配位形成的，这使我们能够控制框架的组成、孔隙率和化学反应性[5]。Liang等人[6]报告了一项显著进展，他们展示了在活的酿酒酵母和藤黄微球菌上原位形成ZIF-8外骨骼，提供了细胞保护作用，同时允许必需的营养物质转运。随后，Ji等人[7]展示了另一种构建机制，他们使用预制的Zr基MOF单层，通过细菌表面与可及的Zr位点之间的磷酸盐介导配位来保护热醋穆尔氏菌。这些研究确立了构建活细胞界面的两种不同方法：在微生物存在下形成框架，以及将现有框架通过化学附着到细胞表面。
尽管取得了这些进展，但控制微生物-MOF界面形成的配位反应仍未完全被理解。微生物被膜含有磷酸盐、羧酸盐和其他金属结合官能团，其可及性取决于表面组成和生理状态[8]。在水相MOF合成中，这些生物配体与正在经历水合、水解、合成连接体配位以及溶液组分竞争的金属物种发生相互作用。由此产生的前驱体分布可能影响晶体材料是在微生物附近形成还是在周围溶液中形成。界面结合也可以通过附着在其他地方生成的颗粒而发生，这使得对细胞相关结构的解释复杂化。关于蛋白质引导的MOF矿化的机理研究揭示了无定形前驱体相和生物分子依赖的结晶途径[9], [10]，但完整微生物表面的过程仍不太明确。理解配位平衡和反应动力学如何影响这些方法，对于掌握由此产生的界面结构至关重要。
最近的综述从制备策略、微生物保护、功能集成和环境应用等方面总结了微生物-MOF系统[11], [12]。在这些研究的基础上，本综述考察了作为比较不同活细胞界面基础的潜在配位反应。特别关注微生物表面质子化、金属水解、配体配位、前驱体转化和成核动力学之间的耦合。这种方法区分了三种化学上不同的过程：配位活性前驱体在微生物表面的积累、缩合金属-配体结构的形成和生长，以及通过可及配位位点附着预形成框架。
在这里，我们关注三个具有代表性的配位系统：Zn(II)-咪唑酸盐、Fe(III)-羧酸盐和Zr(IV)-羧酸盐框架，它们为界面构建提供了对比鲜明的示例，并得到了各种形式的实验证据支持。此外，配位化学的后果不仅限于界面形成。金属-配体相互作用影响涂层完整性、细胞耐受性以及生物介质诱导的结构变化。在口服递送应用中，竞争性配体和环境条件可以改变框架，影响微生物恢复以及释放的金属和有机物种的暴露。因此，本综述考察了界面配位、材料结构、细胞保护、分子转运和环境依赖的解离之间的关系。我们进一步评估了将这些过程与益生菌恢复和口服转化联系起来的证据，包括MOF组分的化学归宿和毒理学意义。通过将配位化学与界面结构、细胞生理学和益生菌递送联系起来，本文旨在将该领域从经验性的细胞涂层推进到更可化学解释的框架。
章节片段
活微生物表面作为配位活性界面
首先，在活微生物表面形成MOFs不应简单地被视为晶体沉积在惰性细胞模板上。微生物细胞的被膜包含多种化学上多样的组分，包括肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、磷脂、表面蛋白和胞外聚合物（EPS）[13]。这些组分共同提供了既具有质子活性又具有金属结合能力的官能团。其丰度、
配位驱动的MOF成核和表面相关结构形成
微生物表面的金属配位可以改变前驱体的停留时间及其局部化学活性。然而，仅靠结合并不能建立稳定的晶核。框架的形成需要足够的热力学驱动力和用于组织金属-连接体物种的动力学可及途径。对于ZIF-8，实验和计算研究都已确定了预成核簇、无定形中间体、亚稳相以及
活微生物-MOF界面的配位化学：Zn-咪唑酸盐、Fe-羧酸盐和Zr-羧酸盐系统
活MOF界面的构建受到金属-配体配位反应的热力学偏好和动力学可及性的共同影响。当我们在定量上考虑它们的配位平衡和交换动力学时，这些系统之间的差异变得更加明显（见表1）。锌(II)（Zn(II)）表现出快速的配位壳层交换，而铁(III)（Fe(III)）在显著较低的pH值下经历广泛的水解。所报道的
MOF-微生物杂化体中配位调控的结构-功能关系
活细胞-MOF界面的功能性能取决于配位网络如何与所包裹微生物的生理需求相互作用。保护性涂层必须承受环境胁迫，同时允许充分的分子交换并维持细胞恢复能力。这些需求往往相互矛盾：更大的涂层覆盖范围可能增强环境保护，但也增加了结构限制，而快速的
从MOF保护到实用的口服益生菌递送
从使用MOF进行细胞保护到口服递送益生菌的过渡，需要将材料行为与整个胃肠道中的生物学性能联系起来的证据。在孤立的酸或酶挑战中提高存活率只是这一过程的一个方面。一个成功的口服制剂还必须在加工和储存过程中保持足够的稳定性，在通过胃肠道时经历适当的转化，允许恢复
结论与展望
总之，本综述探讨了活微生物-MOF界面，重点关注控制其构建、结构演化和与活细胞相互作用的配位化学。通过考虑微生物表面化学、金属水解和形态分布、配体酸碱平衡、竞争性配位和交换动力学，我们为比较Zn(II)-咪唑酸盐、Fe(III)-羧酸盐和Zr(IV)-羧酸盐系统提供了机理基础。这些
CRediT作者贡献声明
臧健伟：概念化、经费获取、可视化、撰写-初稿。郝晓彤：正式分析、验证。朱婉莹：数据管理、正式分析。范霞：验证、可视化。石依博：数据管理、正式分析。林涛：验证、可视化。马凯：正式分析、验证。张昌亮：正式分析、验证。肖璐瑶：监督、验证、可视化。赵晓干：验证、可视化。余迪：正式分析、
通用生成式AI披露声明
在准备本综述的图形材料过程中，作者使用了Google Gemini 3（谷歌）来协助生成初步的概念性插图，并探索配位过程和微生物-MOF界面的可视化表达。最终的插图由作者使用BioRender.com手动创建，并对照引用的参考文献进行了验证。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作由国家自然科学基金（批准号：32572551和32372311）、中央高校基本科研业务费（批准号：CXCYL2026003）、海南省国际科技合作项目（批准号：GHYF2023009）、海南省教育厅三亚崖州湾科技城联合项目博士科研创新基金（HSPHDSRF-2024-09-014）、创新科学研究项目
臧健伟|郝晓彤|朱婉莹|范霞|石依博|林涛|马凯|张昌亮|肖璐瑶|赵晓干|余迪|莫巧雅|芮昕|李伟
