Boosted Enzyme Activity via Encapsulation within Metal–Organic Frameworks with Pores Matching Enzyme Size and Shape

介孔材料 固定化酶 傅里叶变换红外光谱 化学工程 材料科学 化学 酶分析 金属有机骨架 组合化学 催化作用 有机化学 吸附 工程类
作者
Ying Liu,Ziman Chen,Wei Zheng,Yongqin Lv
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
标识
DOI:10.1002/advs.202309243
摘要

Abstract A novel and versatile approach called “physical imprinting” is introduced to modulate enzyme conformation using mesoporous materials, addressing challenges in achieving improved enzyme activity and stability. Metal–organic frameworks with tailored mesopores, precisely matching enzyme size and shape, are synthesized. Remarkably, enzymes encapsulated within these customized mesopores exhibit over 1670% relative activity compared to free enzymes, maintaining outstanding efficiency even under harsh conditions such as heat, exposure to organic solvents, wide‐ranging pH extremes from acidic to alkaline, and exposure to a digestion cocktail. After 18 consecutive cycles of use, the immobilized enzymes retain 80% of their initial activity. Additionally, the encapsulated enzymes exhibit a substantial increase in catalytic efficiency, with a 14.1‐fold enhancement in k cat / K M compared to native enzymes. This enhancement is among the highest reported for immobilized enzymes. The improved enzyme activity and stability are corroborated by solid‐state UV–vis, electron paramagnetic resonance, Fourier‐transform infrared spectroscopy, and solid‐state NMR spectroscopy. The findings not only offer valuable insights into the crucial role of size and shape complementarity within confined microenvironments but also establish a new pathway for developing solid carriers capable of enhancing enzyme activity and stability.
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