清华大学化工系戈钧课题组发文报导根据酶催化的细胞内代谢物原位检测新方法

11月14日，清华大学化工系戈钧课题组与中国科学院进程所魏炜研讨员、天津大学张麟教授、清华大学生命科学学院研讨员李赛协作在《天然·通讯》（Nature Communications）发表文章《无定形金属有机骨架用于酶的装载和投递》（Packaging and delivering enzymes by amorphous metal-organic frameworks），报导了选用无定形金属有机骨架资料进行酶分子包埋，构建高效酶催化剂的新办法。包埋于无定形金属有机骨架结构中的酶分子具有很好的催化活性和稳定性，无定形金属有机骨架纳米载体将酶分子投递进细胞，在细胞内进行生物催化反响，在方针代谢物的催化转化进程中发作荧光信号，完结了活细胞内代谢物的单细胞水平原位检测。

细胞内重要的代谢物改变与许多疾病的发作有着亲近的联系，细胞内方针代谢物的检测对细胞代谢基础研讨和疾病前期确诊具有重要意义。简洁易操作而且适用性广的单细胞水平的胞内代谢物的活络检测技能在严峻疾病比方癌症的前期确诊及预后监测、慢性病的健康办理等方面具有宽广的使用远景。

该作业提出根据酶催化的细胞内代谢物原位检测新办法，使用酶催化对底物的专一性和高效性完结对方针代谢物分子的高选择性转化，发作可检测的荧光信号；理论上该办法能够针对不同方针代谢物规划特定的酶催化反响进行细心的检测，具有十分好的普适性。该办法的关键是将酶分子投递进细胞后怎么坚持酶催化剂在胞内环境中的高活性和杰出的稳定性。戈钧课题组前期作业提出一步共沉淀法将酶分子包埋于无机晶体、金属有机骨架晶体中，使用载体微环境的限域效应、附近效应等增强酶催化剂在人工使用环境下的稳定性以及酶-金属耦合催化的总功率，使用缺点效应进步金属有机骨架晶体中酶催化的表观活性，开发了根据化学工程和纳米技能手法改造酶催化剂的新途径。

在此基础上，本研讨进一步使用缺点工程办法，在一步共沉淀法制备酶-金属有机骨架复合物的进程中，调控有机配体浓度，发作很多金属离子和有机配体间的配位缺点。经过扫描电镜、超分辩荧光、X射线衍射、X射线吸收精细结构谱、分子动力学模仿等手法相结合，该研讨发现配位缺点使得金属有机骨架在构成进程中丧失了长程有序结构，发作了由晶态向无定形状况的改变，酶分子被包埋在100nm左右的粒径均一的无定形载体中。分子模仿发现无定形金属有机骨架载体中呈现很多3-6nm的介孔，氮气吸附试验确认了载体中介孔的存在，冷冻电镜断层成像技能则直接调查到了酶-无定形金属有机骨架复合物中很多存在的贯穿介孔，而相应的晶态复合物中仅存在1nm左右的微孔。经过载体中的酶催化反响-分散模型的理论核算，该研讨发现晶态复合物中1nm左右的微孔约束了酶的底物分子在载体中的传质，然后严峻降低了酶催化剂的表观活性。而酶-无定形金属有机骨架复合物中，很多3-6nm的贯穿介孔有利于底物分子的传质，酶催化剂的表观活性比晶态进步5~20倍，接近于天然状况酶的活性。一起，载体的限域包埋进步了酶催化剂在高温、蛋白酶等严苛条件下的稳定性。

图1. 无定形金属有机骨架纳米颗粒(a)以及酶-无定形金属有机骨架复合物(b)的扫描电镜图；(c)酶-无定形金属有机骨架复合物的超分辩荧光显微镜；(d)X-射线衍射；(e)X-射线吸收精细结构；(f)分子动力学模仿孔径；(g)氮气吸附试验并经过NLDFT模型核算的孔径散布；(h)冷冻电子断层成像术直观调查到的酶-无定形金属有机骨架复合物介孔；(i)包埋酶的表观酶活性。

粒径均一的100nm左右的无定形金属有机骨架载体将包埋其间的酶分子经过胞吞效果投递进入细胞，酶催化剂在载体维护下在胞内具有十分杰出的活性和稳定性，催化方针代谢物反响发作荧光信号。以胞内葡萄糖检测为例，根据荧光信号强度，该办法能够很简洁完结活细胞内葡萄糖浓度的原位精确测定，而且与传统的细胞裂解检测的新办法的成果一起。更为重要的是，该办法能轻松完结单细胞水平的检测，很好地避免了传统细胞裂解检测的新办法的浓度均匀化问题。进一步地，本研讨中根据肿瘤细胞的“瓦博格效应”（Warburg effect），使用酶-无定形金属有机骨架复合物检测出了多种癌细胞内葡萄糖浓度明显高于正常细胞，能够用于癌细胞和正常细胞的区别，为开发癌症液态活检技能供给了新思路。

图2. 肝癌细胞和正常肝细胞的荧光强度改变图(a)以及对应的共聚集体系图画(b)；(c)不同细胞胞内葡萄糖浓度和检测荧光强度的联系；各细胞荧光强度到达峰值时的细胞图画(d)。

清华大学化工系吴晓玲博士（现为华南理工博士后）、中国科学院进程所副研讨员岳华和清华大学化工系博士生张原宇为本文一起榜首作者，清华大学化工系长聘副教授戈钧、中国科学院进程所研讨员魏炜、天津大学化工学院张麟教授和清华大学生命科学学院研讨员李赛为本文一起通讯作者。清华大学为榜首完结单位。该研讨得到国家要点研制方案纳米科技要点专项青年项目、国家天然科学基金优秀青年基金、北京天然科学基金杰出青年基金等项目的赞助。

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来历：清华新闻网

供稿：化工系