近日，华南理工大学食品科学与工程学科再取得学术研究新进展——娄文勇教授团队一项具有广泛应用前景的研究成果，以“Hydrolase mimic via second coordination sphere engineering in metal-organic frameworks for environmental remediation”为题，在Nature Communications在线发表。团队突破了人工酶设计中催化位点周围微环境难以模拟和精准调控的局限，开发了一种基于二级配位球工程调控的金属-有机框架(MOFs)的人工酶体系，精准提出了一种路易斯酸介导和氢键介导位点协同催化水解酰胺键的创新机理。
该项研究的策略弥补了人工水解酶催化机理研究的不足，并且实现了在温和条件下对强稳定性的食品真菌毒素和环境污染物的高效水解，有望成为未来人工酶和蛋白质工程设计的潜在替代方案。
文章于9月25日发表于Nature Communications
天然酶能够在简单的条件下催化各种具有热力学挑战性的生化反应，但在复杂的环境条件下，保持酶的活性仍然具有挑战性。在实际食品加工领域和生物发酵领域，生产废水中含有大量的高毒性真菌毒素和难降解的致癌污染物，通常还伴随着高盐浓度、高蛋白浓度以及多成分组成的复杂环境，这些恶劣条件容易破坏天然酶微妙而复杂的三维结构，导致酶降解失败。
因此，设计具有简单稳定结构的人工酶，模拟天然酶的结合口袋和催化活性位点，在有毒污染物的降解和环境修复方面具有广阔的应用前景。在自然界中，酶依赖于由精确排列的金属中心、氨基酸和辅助因子所组成的活性位点，来有效催化化学反应，尤其是二级配位球的辅助促进了反应途径。近年来，科研工作者开发了一些人工酶系统，包括金属纳米颗粒、超分子聚合物、金属有机框架等，用于模拟酶的催化活性和选择性。然而，天然酶活性位点的复杂性以及酶的各种机制(包括一级配位球和二级配位球)限制导致人工酶的活性远远无法满足需求，人工酶系统目前仅限于催化相对简单的反应以及单一的路易斯位点催化，缺乏扩大其范围所需的系统可调性。如何合理设计和精准控制人工酶活性位点附近的二级配位球，提升催化效率，仍然是一个重大挑战。
为解决这项问题，娄文勇教授团队提出了一种将氨基酸和有机配体预先组织在一个Zn-based MOF支架上的精准排列设计策略，其中初级配位球中的锌离子遵循Lewis酸介导的途径，而第二配位球通过氢键激活的氧阴离子产生酰胺水解的新活性位点。研究团队利用分子模拟和第一性原理计算，全面解析了二级配位球中氢键介导的活性位点，以及双催化位点协同催化机理，解决了人工酶双位点水解反应复杂的催化机理分析难点。催化实验验证了通过人工水解酶中二级配位球的精准调控，其氢键介导的活性位点赋予ZAF(Ser)比其母体ZAF高3-21倍的催化活性。多孔和刚性金属有机框架加上两个高度可接近的活性位点不仅能够允许高效水解含酰胺的毒性污染物，并且显示出令人满意的稳定性。
本研究为人工酶的设计和酶工程提供了一种合理的方法，有望在食品安全加工、环境治理和医疗保健领域得到广泛应用。
论文第一署名单位为华南理工大学食品科学与工程学院，第一作者为食品科学与工程学院博士生袁欣和吴晓玲副教授，通讯作者为食品科学与工程学院娄文勇教授和吴晓玲副教授，以及清华大学戈钧教授。
华南理工大学食品科学与工程学科是国家“双一流”建设学科，在2023年US News世界大学学科排名中位列世界第一。学科坐拥雄厚的科研实力，以国家战略性需求为导向，以重大科技成果研发及转化为任务，不断产出有益于人类健康的科研成果。（图文/食品科学与工程学院 编辑/鲍恩）
附：成果原文链接
https://doi. org/10.1038/S41467-023-41716-6
