Biomimetic Mineralization of Large Enzymes Utilizing a Stable Zirconium-Based Metal-Organic Frameworks

化学 矿化(土壤科学) 脂肪酶 辣根过氧化物酶 金属有机骨架 固定化酶 水解 人工酶 酶催化 生物催化 催化作用 组合化学 化学工程 有机化学 氮气 吸附 离子液体 工程类
作者
Işıl Akpınar,Xiaoliang Wang,Kira M. Fahy,Fanrui Sha,Shuliang Yang,TaeWoo Kwon,Partha Jyoti Das,Timur İslamoğlu,Omar K. Farha,J. Fraser Stoddart
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (8): 5108-5117 被引量:62
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07785
摘要

Enzymes are natural catalysts for a wide range of metabolic chemical transformations, including selective hydrolysis, oxidation, and phosphorylation. Herein, we demonstrate a strategy for the encapsulation of enzymes within a highly stable zirconium-based metal-organic framework. UiO-66-F4 was synthesized under mild conditions using an enzyme-compatible amino acid modulator, serine, at a modest temperature in an aqueous solution. Enzyme@UiO-66-F4 biocomposites were then formed by an in situ encapsulation route in which UiO-66-F4 grows around the enzymes and, consequently, provides protection for the enzymes. A range of enzymes, namely, lysozyme, horseradish peroxidase, and amano lipase, were successfully encapsulated within UiO-66-F4. We further demonstrate that the resulting biocomposites are stable under conditions that could denature many enzymes. Horseradish peroxidase encapsulated within UiO-66-F4 maintained its biological activity even after being treated with the proteolytic enzyme pepsin and heated at 60 °C. This strategy expands the toolbox of potential metal-organic frameworks with different topologies or functionalities that can be used as enzyme encapsulation hosts. We also demonstrate that this versatile process of in situ encapsulation of enzymes under mild conditions (i.e., submerged in water and at a modest temperature) can be generalized to encapsulate enzymes of various sizes within UiO-66-F4 while protecting them from harsh conditions (i.e., high temperatures, contact with denaturants or organic solvents).
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