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我校化科院在《Journal of the American Chemical Society》发表研究论文

我校化科院古志远教授课题组与美国Texas A&M University周宏才教授合作在二维金属有机骨架(MOFs)纳米片调控酶活性研究取得重要突破。相关成果以 “Two-Dimensional Metal-Organic Framework Nanosheets as an Enzyme Inhibitor: Modulation of the α-Chymotrypsin Activity” 为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上,(139 (24), 8312–8319;文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b03450)。JACS是目前国际化学领域最具影响力的刊物,最新影响因子为13.858。

MOFs由于其比表面积大、孔径可调、便于后修饰等优点,被广泛应用于气体吸附与分离、催化、储能等多个领域。近年来,众多学者开发了一系列基于MOFs的光动力疗法、荧光成像、生物传感器等新应用。但MOFs和生物分子表面的相互作用这一关键科学问题还没有得到充分研究。

我校化科院古志远课题组与美国Texas A&M University周宏才教授合作,针对以上科学问题,提出利用MOFs与酶表面的相互作用来调控酶的活性。考虑到块体的MOFs在水中容易形成不均匀的分散体系而纳米级的MOFs又容易发生团聚,不利于酶活性的检测的特点。该课题组选取了二维MOFs纳米片来作为研究的对象。相较于块体的MOFs,二维的MOFs纳米片有更大的比表面积和更多裸露的活性位点,并且能在水中形成稳定的分散体系,在生物方向的应用前景更加广泛。在此基础上,该课题组研究了两种二维MOFs纳米片[Cu(bpy)2(OTf)2 (Cu-MOF, bpy = 4,4-联吡啶, OTf =三氟甲烷磺酸铜), Zn2(bim)4 (Zn-MOF, bim = 苯并咪唑)]调控糜蛋白酶活性的效果,并通过改变缓冲、改变离子强度、计算米氏常数、表征二级结构等方法得出了酶与二维Cu-MOF纳米片相互作用的机理。研究表明,二维Cu-MOF纳米片由于Jahn-Teller畸变的原因,其表面的三氟甲烷磺酸根离子容易和缓冲体系中的4-羟乙基哌嗪乙磺酸分子发生交换,最终表面带上负电。由于糜蛋白酶分子表面裸露带正电的残基,可以通过静电吸附的方式吸附到纳米片的表面,从而抑制其活性,抑制效果可达96.9%。相反,二维Zn-MOF纳米片由于中心金属Zn配位饱和,无法结合缓冲分子,而其本身的前体带正电,因而无法和酶相结合。后续研究发现,二维Cu-MOF纳米片不会破坏酶的二级结构,而是通过竞争酶活性位点的方式来阻止酶和底物结合,从而抑制酶的活性。糜蛋白酶的活性中心是Asp-102、His-57、Ser195,由于Asp-102的氢键推电子的作用His-57咪唑环上的N极为富电子,通过组氨酸滴定实验证实,该富电子的N会和缓冲分子竞争Cu中心的配位点,一旦His-57和Cu相结合,就无法催化水解底物。二维MOFs纳米片对酶活性的调控为MOFs和生物分子表面相互作用的探索提供了一个新的方向,也提升了对细胞过程的调控和对MOFs与酶表面相互作用的理解。

本论文的第一作者为化科院2016级硕士研究生徐铭,共同第一作者为美国Texas A&M University博士生袁帅。研一硕士生以第一作者在JACS发表论文在我校尚属首次。徐铭是本校化科院2012级本科生,以优异的成绩推免至本校分析化学专业攻读硕士研究生。徐铭同学在本科期间先后获得“陶氏化学杯”华东高校化学化工联盟大学生实验竞赛特等奖、第四届全国高等师范院校大学生化学实验邀请赛一等奖、校级本科优秀毕业论文等奖项。研究生期间两次在国际国内学术会议上获得优秀海报奖。

发布时间:2017/06/28