原子尺度揭示生物大分子-金属有机框架共生晶体的构效关系

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原子尺度揭示生物大分子-金属有机框架共生晶体的构效关系（DOI: 10.1038/s41467-022-28615-y）

摘要：
生物大分子-金属有机框架（BMOFs）共生晶体因其兼具生物功能与化学稳定性，在药物递送、生物传感和仿生催化等领域展现出巨大潜力。然而，其微观结构如何影响生物活性，长期以来缺乏直接证据。本文基于《Nature Communications》2022年发表的一项研究，系统介绍了研究人员如何利用冷冻电镜（cryo-EM）、集成差分相衬扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM）和X射线吸收精细结构（XAFS）等先进表征手段，首次在原子尺度上揭示了不同结晶路径下ZIF-8生物复合材料的结构差异，并阐明了这些结构差异如何显著影响其生物活性与稳定性。

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一、研究背景：BMOFs的潜力与挑战
生物大分子如酶、抗体等在体外应用中常面临稳定性差、易失活等问题。将生物大分子封装于金属有机框架（MOFs）中形成BMOFs，不仅能有效保护其结构，还可实现可控释放与靶向功能。其中，ZIF-8因其温和的合成条件（室温、水相）成为最常用的MOF载体之一。
然而，ZIF-8的孔径仅为约3.4 Å，理论上限制了大多数底物分子的进入，导致生物大分子活性受限。但在部分研究中，封装后的酶却表现出与游离酶相当甚至更高的活性，这一现象引发了广泛争议。因此，揭示不同合成条件下BMOFs的结构差异，进而理解其构效关系，成为当前研究的关键。

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二、研究方法：多尺度表征手段联合解析微观结构
本研究由中山大学陈国强教授团队主导，采用以下三种高分辨率表征技术：

• 冷冻电镜（cryo-EM）：用于观察电子束敏感材料在低温下的真实结构，避免传统电镜下的结构损伤。
• iDPC-STEM：一种低剂量高分辨成像技术，能在原子尺度上解析MOF框架与孔道结构。
• XAFS：用于分析金属中心的配位环境，揭示局部结构缺陷与配位数变化。
  

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三、关键发现：不同结晶路径导致结构显著差异
研究人员发现，ZIF-8的生物复合晶体可通过两种路径形成：
1. 固态转化路径（BZIF-8-S）形成的复合材料：
在较高比例的2-甲基咪唑（HmIM）与锌离子（Zn²⁺）前驱体浓度条件下，ZIF-8通过固态转化路径结晶，形成生物大分子-ZIF-8复合材料（BZIF-8-S）。该路径下，生物大分子（如葡萄糖氧化酶）最初以非晶态存在，随后在ZIF-8晶体表面通过异相结晶完成封装。

• 结构特征：该条件下形成的BZIF-8-S晶体结晶度较高，结构致密，孔道完整，孔径较小，沿[111]方向的六元环窗口约为3.4 Å，沿[100]方向的四元环窗口约为2.8 Å。
• 生物活性：由于孔道狭窄，底物分子（如葡萄糖）扩散受限，导致封装后的酶活性显著下降，远低于游离酶的活性水平。
  

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2. 生物大分子诱导结晶路径（BZIF-8-B）形成的复合材料：
在较低比例的HmIM与Zn²⁺前驱体浓度条件下，ZIF-8无法自发结晶，而是由生物大分子通过静电作用诱导ZIF-8在其表面直接结晶，形成生物大分子-ZIF-8复合材料（BZIF-8-B）。

• 结构特征：该条件下形成的BZIF-8-B晶体为多相结构，包含大量非晶相区域和配位缺陷，孔道结构不连续，局部孔径明显扩大。
• 生物活性：由于结构缺陷和非晶相的存在，底物分子更容易进入晶体内部与酶接触，因此封装后的酶活性得以较好保留，接近游离酶的活性水平。
  

• BZIF-8-S 结构致密，孔道狭窄，底物扩散受限，导致酶活性降低。
• BZIF-8-B 存在大量结构缺陷与非晶区域，形成更大的“有效孔道”，有利于底物进入与产物释放，从而保留高活性。
  

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四、结构演化：时间延长引发晶型转变
研究还发现，BZIF-8-B在延长结晶时间（7天）后会发生晶型转变，从亚稳的SOD型转变为热力学更稳定的dia型结构。该过程伴随着：

• 晶体结晶度提高；
• 微孔减少；
• 酶分布不均；
• 生物活性下降。
  

这一发现提示，结晶时间也是调控BMOFs性能的重要参数，在实际应用中需平衡活性与稳定性。

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五、稳定性与释放行为：结构决定性能

• 酸敏释放：BZIF-8-B因结构缺陷多，在pH=6条件下10分钟内释放90%蛋白；而BZIF-8-S仅释放28%，表现出更强的结构稳定性。
• 抗逆性：在高温、尿素等极端条件下，BZIF-8-S对酶的保护能力优于BZIF-8-B，显示出高结晶性结构的优势。
  

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六、研究意义与展望
本研究首次在原子尺度上揭示了BMOFs的构效关系，明确了“结构缺陷”在调控生物活性中的关键作用。这一发现不仅解释了以往文献中关于ZIF-8生物活性的争议，也为下一代生物材料的设计提供了理论依据。
未来，基于不同应用需求（如药物释放、生物催化、生物传感），可通过调控结晶路径、时间、前驱体比例等参数，精准设计具有特定结构与功能的BMOFs材料。此外，该研究方法亦可拓展至其他类型的生物-有机框架材料，如生物大分子-共价有机框架（COFs）或氢键有机框架（HOFs）等。

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结语：
生物材料的功能不仅取决于其组成，更深受其微观结构影响。随着冷冻电镜等表征技术的发展，我们得以“看见”原子，理解结构，进而“设计”功能。这项研究正是从“看不见”到“看得清”，再到“用得好”的典范，为生物材料科学注入了新的活力与方向。