化工系戈钧课题组合作发文报道基于酶催化的细胞内代谢物原位检测新方法
清华新闻网11月15日电 11月14日，清华大学化工系戈钧课题组与中国科学院过程所魏炜研究员、天津大学张麟教授、清华大学生命科学学院研究员李赛合作在《自然·通讯》（Nature Communications）发表文章《无定形金属有机骨架用于酶的装载和递送》（Packaging and delivering enzymes by amorphous metal-organic frameworks），报道了采用无定形金属有机骨架材料进行酶分子包埋，构建高效酶催化剂的新方法。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递送进细胞，在细胞内进行生物催化反应，在目标代谢物的催化转化过程中产生荧光信号，实现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变化与很多疾病的发生有着密切的关系，细胞内目标代谢物的检测对细胞代谢基础研究和疾病早期诊断具有重要意义。简便易操作并且适用性广的单细胞水平的胞内代谢物的灵敏检测技术在重大疾病比如癌症的早期诊断及预后监测、慢性病的健康管理等方面具有广阔的应用前景。
该工作提出基于酶催化的细胞内代谢物原位检测新方法，利用酶催化对底物的专一性和高效性实现对目标代谢物分子的高选择性转化，产生可检测的荧光信号；理论上该方法可以针对不同目标代谢物设计特定的酶催化反应进行检测，具有很好的普适性。该方法的关键是将酶分子递送进细胞后如何保持酶催化剂在胞内环境中的高活性和良好的稳定性。戈钧课题组前期工作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，利用载体微环境的限域效应、邻近效应等增强酶催化剂在人工应用环境下的稳定性以及酶-金属耦合催化的总效率，利用缺陷效应提高金属有机骨架晶体中酶催化的表观活性，开发了基于化学工程和纳米技术手段改造酶催化剂的新途径。
在此基础上，本研究进一步利用缺陷工程方法，在一步共沉淀法制备酶-金属有机骨架复合物的过程中，调控有机配体浓度，产生大量金属离子和有机配体间的配位缺陷。通过扫描电镜、超分辨荧光、X射线衍射、X射线吸收精细结构谱、分子动力学模拟等手段相结合，该研究发现配位缺陷使得金属有机骨架在形成过程中丧失了长程有序结构，发生了由晶态向无定形状态的转变，酶分子被包埋在100nm左右的粒径均一的无定形载体中。分子模拟发现无定形金属有机骨架载体中出现大量3-6nm的介孔，氮气吸附实验确认了载体中介孔的存在，冷冻电镜断层成像技术则直接观察到了酶-无定形金属有机骨架复合物中大量存在的贯穿介孔，而相应的晶态复合物中仅存在1nm左右的微孔。通过载体中的酶催化反应-扩散模型的理论计算，该研究发现晶态复合物中1nm左右的微孔限制了酶的底物分子在载体中的传质，从而严重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，大量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提高5~20倍，接近于天然状态酶的活性。同时，载体的限域包埋提高了酶催化剂在高温、蛋白酶等苛刻条件下的稳定性。
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辨荧光显微镜；(d)X-射线衍射；(e)X-射线吸收精细结构；(f)分子动力学模拟孔径；(g)氮气吸附实验并通过NLDFT模型计算的孔径分布；(h)冷冻电子断层成像术直观观察到的酶-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中的酶分子通过胞吞作用递送进入细胞，酶催化剂在载体保护下在胞内具有良好的活性和稳定性，催化目标代谢物反应产生荧光信号。以胞内葡萄糖检测为例，基于荧光信号强度，该方法可以很简便实现活细胞内葡萄糖浓度的原位准确测定，并且与传统的细胞裂解检测方法的结果一致。更为重要的是，该方法可以实现单细胞水平的检测，很好地避免了传统细胞裂解检测方法的浓度平均化问题。进一步地，本研究中基于肿瘤细胞的“瓦博格效应”（Warburg effect），利用酶-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显著高于正常细胞，可以用于癌细胞和正常细胞的区分，为开发癌症液态活检技术提供了新思路。
图2. 肝癌细胞和正常肝细胞的荧光强度变化图(a)以及对应的共聚焦系统图像(b)；(c)不同细胞胞内葡萄糖浓度和检测荧光强度的关系；各细胞荧光强度达到峰值时的细胞图像(d)。
清华大学化工系吴晓玲博士（现为华南理工博士后）、中国科学院过程所副研究员岳华和清华大学化工系博士生张原宇为本文共同第一作者，清华大学化工系长聘副教授戈钧、中国科学院过程所研究员魏炜、天津大学化工学院张麟教授和清华大学生命科学学院研究员李赛为本文共同通讯作者。清华大学为第一完成单位。该研究得到国家重点研发计划纳米科技重点专项青年项目、国家自然科学基金优秀青年基金、北京自然科学基金****基金等项目的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13153-x
供稿：化工系
编辑：李华山
审核：周襄楠
2019年11月15日 15:06:59 清华新闻网
