Improving the Bioactivity and Stability of Embedded Enzymes by Covalent Organic Frameworks

热稳定性 共价键 材料科学 生物催化 催化作用 固定化酶 化学工程 组合化学 化学 有机化学 反应机理 工程类
作者
Wenjing Li,Yiming Li,Hao Ren,Chunyan Ji,Lin Cheng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (37): 43580-43590 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.3c09459
摘要

De novo embedding enzymes within reticular chemistry materials have shown the enhancement of physical and chemical stability for versatile catalytic reactions. Compared to metal–organic frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs) are usually considered to be the more superior host of enzymes because of their large channels with low diffusion barriers, outstanding chemical/thermal stability, and metal-free nature. However, detailed investigations on the comparison of COFs and MOFs in enhancing biocatalytic performance have not been explored. Here, we de novo encapsulated enzymes within two COFs via a mechanochemical strategy, which avoided the extreme synthetic conditions of COFs and highly maintained the biological activities of the embedded enzymes. The enzymes@COFs biocomposites exhibited a much higher activity (3.4–14.7 times higher) and enhanced stability than those in MOFs (ZIF-8, ZIF-67, HKUST-1, MIL-53, and CaBDC), and the rate parameter (kcat/Km) of enzyme@COFs was 41.3 times higher than that of enzyme@ZIF-8. Further explorations showed that the conformation of enzymes inside MOFs was disrupted, owing to the harmful interfacial interactions between enzymes and metal ions as confirmed by ATR-FTIR, fluorescence spectroscopy, and XPS data. In contrast, enzymes that were embedded in metal-free COFs highly preserved the natural conformation of free enzymes. This study provides a better understanding of the interfacial interactions between reticular supports and enzymes, which paves a new road for optimizing the bioactivities of immobilized enzymes.
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