Harnessing Self-Repairing and Crystallization Processes for Effective Enzyme Encapsulation in Covalent Organic Frameworks

化学 介孔材料 共价键 结晶 封装(网络) 固定化酶 聚合物 多孔性 纳米技术 生物催化 化学工程 材料科学 有机化学 催化作用 计算机科学 离子液体 工程类 计算机网络
作者
Yufeng Zhang,Chunyan Xing,Zhenjie Mu,Ziru Niu,Xiao Feng,Yuanyuan Zhang,Bo Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (24): 13469-13475 被引量:77
标识
DOI:10.1021/jacs.3c04183
摘要

Immobilization of fragile enzymes in crystalline porous materials offers new opportunities to expand the applications of biocatalysts. However, limited by the pore size and/or harsh synthesis conditions of the porous hosts, enzymes often suffer from dimension limitation or denaturation during the immobilization process. Taking advantage of the dynamic covalent chemistry feature of covalent organic frameworks (COFs), herein, we report a preprotection strategy to encapsulate enzymes in COFs during the self-repairing and crystallization process. Enzymes were first loaded in the low-crystalline polymer networks with mesopores formed at the initial growth stage, which could offer effective protection for enzymes from the harsh reaction conditions, and subsequently the encapsulation proceeded during the self-repairing and crystallization of the disordered polymer into the crystalline framework. Impressively, the biological activity of the enzymes can be well-maintained after encapsulation, and the obtained enzyme@COFs also show superior stability. Furthermore, the preprotection strategy circumvents the size limitation for enzymes, and its versatility was verified by enzymes with different sizes and surface charges, as well as a two-enzyme cascade system. This study offers a universal design idea to encapsulate enzymes in robust porous supports and holds promise for developing high-performance immobilized biocatalysts.
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