背景：
酶作为自然界中最为有效的生物催化剂之一，具有优异的区域选择性和化学选择性，能够在温和条件下精确地调控生命过程。目前已确定的酶类数量众多、功能多样，几乎可以执行维持生命过程所需的所有转化反应。尽管酶在细胞环境中表现出优越的催化功能性，但很多酶只能在细胞内的拥挤环境内维持高稳定性和高催化活性。因此，研究开发酶分子的稳定化策略至关重要。
近日，北京化工大学谭天伟院士团队吕永琴教授课题组报道了一种基于“物理印迹”的创新合成策略，以酶分子为模板，在金属有机框架材料（MOF）中构建了与酶分子尺寸和形状匹配的“印迹腔室”，可显著增强酶的表观活性和使用稳定性。同时，解析了分子辨识微环境提高酶活性和稳定性的机制。
研究内容：
基于“物理印迹”在金属有机框架材料中构建与酶尺寸和形状匹配的孔道的方法如下图所示，在MOF合成过程中引入酶“模板”编排框架形成，酶分子充当支架，介导金属节点和有机配体的配位组装。350°C煅烧脱除酶模板后，在MOF中定制出可匹配酶尺寸和形状的“印迹腔室”，该纳米腔基于形状大小互补结构对其模板酶分子具有特异性和选择性。新型载体固相酶的催化活性是游离酶的16.7倍，催化效率（kcat/KM）是游离酶的14.1倍，均为文献报道最高值。固相酶在95°C高温、pH=2、pH=10、甲醇和丙酮等有机溶剂处理，以及胰蛋白酶处理下，残余酶活仍保持在65%以上。连续使用18批次，残余酶活仍保持在80%以上。利用固态UV-vis、电子顺磁共振（EPR）、傅里叶变换红外光谱和固态核磁共振光谱等手段阐明了分子辨识微环境提高酶活性和稳定性的机制。物理印迹构建的“印迹腔室”通过受限的折叠动力学和辅因子配位在定制的限域空间中对酶的活性位点进行重塑，精细调控酶的微环境，稳定酶的活性构象。
图1. 基于“物理印迹”在金属有机框架材料（MOF）中构建与酶分子尺寸和形状匹配的“印迹腔室”
图2. Cyt c@ZIF-8复合物的 (a) SEM和 (b) TEM图，HZIF-8[Cyt c]的SEM和TEM图、N2吸附等温线和孔径分布图 (c-f)，Cyt c、ZIF-8、Cyt c@ZIF-8复合物和HZIF-8[Cyt c]的红外光谱 (g)，ZIF-8、Cyt c@ZIF-8复合物和HZIF-8[Cyt c]的粉末XRD衍射 (h)
图3. HZIF-8[Cyt c]、HZIF-8[HRP]和HZIF-8[Lipase]对不同酶分子的吸附量 (a-c)，以及固定化酶后的相对酶活 (d-f)
图4. 游离酶和固定化酶的稳定性和重复使用性。(a, d) 细胞色素c；(b, e) 辣根过氧化物酶；(c, f) 脂肪酶
图5. 基于固态UV-vis、电子顺磁共振（EPR）、傅里叶变换红外光谱和固态核磁共振光谱解析分子辨识微环境提高酶活性和稳定性的机制
作者介绍：
吕永琴，北京化工大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，担任北京市生物加工过程重点实验室副主任和教育部生物能源国际合作联合实验室副主任。2005年毕业于北京化工大学材料科学与工程学院，获学士学位；2010年12月获北京化工大学化学工程与技术专业博士学位，师从谭天伟院士；2008年11月至2010年2月，获国家留学基金委资助，作为联合培养博士研究生，在澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）材料科学系学习交流；2011年1月至2012年12月，在美国加州大学伯克利分校化学系和劳伦斯国家实验室从事博士后研究工作。2013年1月以“人才引进”受聘于北京化工大学生命科学与技术学院。获侯德榜化工科学技术奖青年奖、教育部自然科学奖二等奖、石油化工联合会技术发明奖一等奖等奖项。主要从事限域微环境调控促进生物催化、光/电驱动生物催化固碳及仿生抗体工程等相关研究。在PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Matter 、Nano Lett.、Adv. Sci.、Prog. Energ. Combust.、Biotechnol. Adv.等期刊发表第一或通讯作者SCI论文60余篇；申请发明专利二十余项；主持科研项目10余项，其中国家级项目9项。担任中国生物工程学会一碳生物技术专委会委员、中国化工学会青年工作委员会委员。担任Biotechnology Advances客座编辑、Frontiers of Chemical Science & Engineering青年编委和客座编辑、Microchimica Acta编委、Bioresources and Bioprocessing青年编委、Synthetic and Systems Biotechnology编委和客座编辑、Biotechnology Notes编委、《生物加工过程》编委。