天然酶，以其高催化效率、高底物特異性和可持續性等卓越優勢，作為綠色催化劑在紡織、生物燃料、生命支持系統、食品、制藥以及醫療設備等領域中被廣泛應用。然而，在實際應用過程中，天然酶面臨一系列棘手難題。當外界環境中的溫度、pH 值或者溶劑等發生改變時，酶的結構易應激受損，從而降低催化性能，極大地限制了天然酶在工業領域的大規模推廣應用。與此同時，酶出色的水溶性也為其循環利用設置了重重障礙。酶固定化（將酶固定在多孔載體上）可提高酶穩定性和延長循環壽命，為酶催化劑的發展帶來新可能。在酶固定化領域中，物理吸附法憑借操作簡便等特性，在工業生產中依舊是常用且通用的技術手段，相關商業產品如Novozym®435已在市場上得到廣泛應用。然而，物理吸附法存在著酶裝載效率低、固定不夠緊密以及酶易泄漏等先天性缺陷。盡管已有眾多相關應對策略，但常伴隨酶活性降低、孔堵塞而限制底物擴散等新問題。因此，開發一種能夠原位實施、經濟高效且適用于大規模生產的策略，增強物理吸附法固定化酶體系在工業環境中的穩定性和使用壽命，成為了當前該領域亟待攻克的關鍵課題。
硅基基質具有化學惰性、機械強度高和熱穩定性好等優良特性而被廣泛用于酶固定化。朱偉教授團隊長期致力于硅基基質在酶固定化及調控生命體活動等方面的研究，并取得了一系列成果（PNAS. 2024, 121, e2408273121; PNAS. 2024, 121, e2322418121; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406110；Nat. Rev. Bioeng. 2024, 2, 282; ACS Nano 2022, 16, 2164；Nat. Commun. 2022, 13, 6265；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 17, 6305等）。
圖1.上圖：蛋白質催化硅化反應的示意圖，該過程原位強化固定化酶的結構，并增強酶與載體材料間的相互作用。下圖：描繪固定化酶在三種不同硅化狀態下的催化活性和泄漏情況。
基于原位硅化法的“硅基無機膠水”具有以下幾大優勢：
2）優化酶與載體基質的相互作用：多孔載體孔壁表面的官能團（如氨基）能夠催化硅化反應，隨后與發生硅化的酶相結合。這一過程如同 “膠水效應”，極大地加強了酶與支持基質之間的相互作用，有效防止酶泄漏，顯著延長固定化酶的循環壽命（圖3）。
圖3. a）EMG、EMGT-1和EMGT-2透射電子顯微鏡和部分放大。b） EMGT-1的 EDS 元件分析圖。c）EMG和EMGT-1的PXRD圖像。d）EMG和EMGT-1的77 K氮吸附等溫線。e）EMG和EMGT-1的孔徑分布曲線。f）EMG、EMGT-1和EMGT-2的回收穩定性。在各種惡劣條件下處理后EMG、EMGT-1和EMGT-2的相對活性：g）5 M尿素。h）60 °C和 i） 凍融循環（從?80 °C 15分鐘到+35 °C 2 分鐘）。
為研究原位硅化對物理吸附法固定化酶體系的影響，研究人員通過調節硅烷濃度來研究硅化程度對固定化酶體系的影響，結果顯示40 mM硅化24 h的半固定狀態（EMGT-1）明顯提高葡萄糖氧化酶在介孔有機框架中的穩定性和使用壽命，經過8次循環后的剩余活性比僅固定化組提高44.51%。然而，80 mM硅化的24 h的全固定化狀態（EMGT-2）在循環使用測試過程中，酶活性均低于未硅化組EMG，猜測可能是由于過度硅化，導致多孔框架孔道縮小，進而阻礙底物和產物的擴散。結果表明原位硅化過程是高度可控的，適當的硅化可以加強酶與基質之間的相互作用，進一步增強固定化酶的循環能力和穩定性（圖3）。
圖4. a）TLL 的圖和大小。b）EMT 和 EMTT 的回收穩定性。在各種惡劣條件下處理后游離TLL、EMT和EMTT的相對活性：c）70 °C和d）凍融循環。e）PGA的圖和大小。f） EMP和EMPT的回收穩定性。在各種惡劣條件下處理后游離PGA、EMP和EMPT的相對活性：g）50 °C和 h）凍融循環。i）GOx@Resin 圖。j）RG 和 RGT 的回收穩定性。在各種惡劣條件下處理后游離GOx、RG 和 RGT 的相對活性：k）60 °C和l）凍融循環（從 -80 °C 15 分鐘到 +35 °C 2 分鐘）。
總得來說，基于原位硅化法的“硅基無機膠水”強化固定化酶體系的策略，從酶和載體的角度都證明其具有廣泛的適用性，有望為酶固定化領域引入一種新的技術，為具有成本效益的工業工藝開辟新道路，從而拓寬酶的應用前景。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202407831
