生物功能化新途径——能与碱基互补配对的MOF

来源：X一MOL资讯

金属有机框架（MOF）是材料研究领域炙手可热的热点，其基本结构是有机配体与金属离子链接，形成一维、二维或三维的结构。随着研究的深入，MOF的种类日益增多，其应用也越来越丰富，但是对MOF进行生物功能化仍然属于欠发展的子领域。目前主流的有两类对MOF进行生物功能化策略：（1）在MOF表面通过共价键等作用修饰生物分子；（2）利用MOF的笼子结构将酶、蛋白等生物大分子关在其中。实践中，前者存在修饰效率、修饰后分离纯化等问题，而后者则适用于合成条件温和的MOF。于是，摆在科研人员面前的一个问题就是，还有什么策略能够实现MOF的生物功能化呢？

近期，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的一个团队合成了一种新的生物功能化MOF（bio-MOF），将其用作纳米捕获器与反应器。这种被命名为SION-19的MOF在合成过程中加入了DNA的四碱基之一的腺嘌呤（Ade），使SION-19的空穴中含有Watson-Crick面，即形成DNA双螺旋的中氢键作用的基本单元。不负众望的是，有了碱基“加持”的SION-19能够通过氢键作用捕获胸腺嘧啶（Thy），在MOF的空腔中实现A-T碱基配对，使MOF能够模拟DNA的作用。该研究于发表于Nature Communications。

SION-19的结构模拟。a、b是不同尺度下SION-19的三维结构，其中粉色代表Zn原子，红色代表O原子，蓝色代表N原子，灰色代表C原子，黄色代表H原子。c-e是SION-19中的孔结构，其中蓝色孔是碱性孔，红色是酸性孔。d图是由Ade提供的Watson-Crick面。

SION-19由Zn(NO3)2•6(H2O)、H4TBAPy、Ade在DMF/H2O/HNO3混合溶剂中于120 °C下反应72 h制备。上图是SION-19的结构模拟，其八面体笼由四个Ade配体与六个ZnII构成，这六个ZnII中四个位于MOF的赤道面，两个位于顶点。Ade起到去质子化作用并充当起到桥接作用的三齿配体，而去质子化的TBAPy则以单齿配位的方式形成配合物。特殊的三维结构以及TBAPy的性质，使MOF上的孔隙根据其位置和构成可以分为酸性孔（acid-pore）与碱性孔。其中的酸性孔的尺寸为7.9 Å×4.9 Å（包括范德华半径），而碱性孔（base-pore）包含由Ade提供的无阻碍Watson-Crick面，其尺寸为5.4 Å×6.9 Å。

结构上看，SION-19的碱性孔中含有无阻碍的Watson-Crick面，那么理论上讲其就具有形成碱基配对所需要的氢键的化学环境。接下来的问题就是，SION-19中的Ade碱基能否通过氢键作用与Thy配对呢？

a-b. SION-19’对Thy的等温吸附；c-d. Thy在SION-19’中在UV照射下固相催化形成二聚物的分子动力学分析。

为了验证这个问题，Kyriakos Stylianou的团队首先进行了SION-19对Thy的吸附实验。吸附实验在等温条件下进行，考察了在EtOH:MeCN溶剂中，SION-19与Thy共同孵育后，溶剂中Thy的UV-vis吸收光谱。结果显示，吸附作用在24 h内可以达到平衡，当Thy的装载量为100%时，SION-19’平均可以吸收1.1个Thy分子，与元素分析得到的结果相一致。

Thy分子在UV作用下容易发生聚合反应，产生二聚的Thy<>Thy，该反应在溶液中已经被广泛研究，但是其在固相中的反应仍然研究尚少。由于SION-19能够吸附Thy，于是该研究也探讨了被吸附的Thy在固相中的二聚反应。分子动力学研究显示，当Thy的装载量为44%时，二聚反应更容易发生，该结果可能与SION-19的空间结构以及Thy分子在其空穴中的分散有关。

Thy在SION-19’的空穴中装在、定位、聚合的示意图。b中的红点是分子动力学模拟出的Thy在空穴中的分布概率。

SION-19中的Ade作为结构导向剂，将Thy分子“锁定”在MOF空穴内的特定位置，接着利用催化反应获取孔隙中的空间与化学信息，或是实现光催化反应。从生物应用来讲，二聚化的Thy是皮肤癌的一种重要标志物，SION-19可能能够帮助研究者选择性地从生物样品中分离Thy<>Thy，从而研究其在皮肤癌发生发展及治疗过程中的变化。

总体而言，该研究强调了bio-MOF作为纳米反应器通过特定相互作用捕获生物分子，并将其转化为其他分子的可能性。这可能为MOF及其它多孔性的纳米材料的生物应用提供一种新的思路——直接将生物分子“镶嵌”进纳米材料的框架中，让其发挥作用。从应用上将，这类新型的bio-MOF可以被用于吸附分离特定分子、实现靶向递药、完成固相催化反应。可以预见的是，MOF材料学研究的深入与全人类对生命科学与生物技术的热情将共同助推bio-MOF成为今后一段时间的研究热土。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Nucleobase pairing and photodimerization in a biologically derived metal-organic framework nanoreactor

Nat. Commun., 2019, 10, 1612, DOI: 10.1038/s41467-019-09486-2