氧化還原活性金屬有機(jī)框架材料合成以及類(lèi)酶催化

最近，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院左景林教授、丁夢(mèng)寧教授、馬晶教授等合作，成功制備了含類(lèi)酶活性中心金屬二硫烯構(gòu)筑基元的新型金屬有機(jī)框架材料，并對(duì)其電催化CO₂還原性能開(kāi)展了研究。

近年來(lái)，由于化石燃料的廣泛使用，全球CO₂排放量逐漸增加，這是全球氣候變暖的主要原因。將CO₂轉(zhuǎn)化成能源物質(zhì)或者是其它化學(xué)品，是目前解決這一問(wèn)題的主要策略之一。其中，電催化CO₂還原反應(yīng)（CO₂RR）是將CO₂轉(zhuǎn)化成可利用能源物質(zhì)的有效途徑。優(yōu)異的CO₂RR催化劑一般具有以下特征：具有活性催化位點(diǎn)，高選擇性，高效電子轉(zhuǎn)移速率等。金屬有機(jī)框架材料(MOFs)具有可調(diào)節(jié)的孔徑尺寸和功能化的金屬位點(diǎn)，賦予其良好的CO₂氣體吸附能力和高效的催化中心，成為電催化CO₂還原反應(yīng)的理想催化材料。

化學(xué)化工學(xué)院相關(guān)團(tuán)隊(duì)在前期新型電荷轉(zhuǎn)移金屬配合物研究中取得了一系列重要進(jìn)展，如利用四硫富瓦烯四苯羧酸配體（H₄TTFTB，圖1）與In³⁺成功合成了穩(wěn)定性高、氧化還原活性的金屬有機(jī)框架材料（Nat. Commun., 2017, 8, 2008; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 18763）。最近，他們將相關(guān)研究拓展到具有類(lèi)酶活性中心的金屬二硫烯構(gòu)筑基元上。金屬鎳二硫烯四苯羧酸配體（[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]）與四硫富瓦烯四苯羧酸（H₄TTFTB）結(jié)構(gòu)和性能相似（圖1），引入的金屬Ni離子取代C=C單元后具有不飽和配位點(diǎn)和新的氧化還原活性金屬中心，從而可能賦予材料更加豐富的物理、化學(xué)功能。例如，過(guò)渡金屬M(fèi)n配位多孔材料具有良好的電化學(xué)葡萄糖識(shí)別性能（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 20313）。 

圖1 [Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]和H₄TTFTB的結(jié)構(gòu)圖

基于以上研究基礎(chǔ)，他們進(jìn)一步采用氧化還原活性鎳的二硫烯配體[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]與金屬銦離子反應(yīng)，制備了具有陰離子骨架的新型MOF結(jié)構(gòu)（圖2），(Me₂NH₂⁺){In^III-[Ni(C₂S₂(C₆H₄COO)₂)₂]}·3DMF·1.5H₂O (1)。

圖2 MOF 1的結(jié)構(gòu)中含有三種不同的孔道，分別為I（被客體分子占據(jù)）、II和III

這類(lèi)材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，為進(jìn)一步電催化應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。此外，MOFs材料保留了[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]基元可逆的氧化還原活性以及不飽和配位點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，其[NiS₄]位點(diǎn)可以有效模擬甲酸脫氫酶和CO-脫氫酶中的二氧化碳還原中心。我們選取同構(gòu)的MOFs材料1和(Me₂NH₂⁺)[In^III-(TTFTB)]·0.7C₂H₅OH·DMF (2)，對(duì)它們電化學(xué)CO₂RR性能進(jìn)行研究。在研究中，他們發(fā)現(xiàn)MOF 1作為CO₂RR催化劑不僅能選擇性地將CO₂還原為甲酸且大幅提高法拉第效率（FE_HCOO-從MOF 2的54.7%提高至89.2%），同時(shí)還具有較寬的電壓窗口和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。進(jìn)一步催化機(jī)理研究和密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]基元中的不飽和金屬配位點(diǎn)[NiS₄]，能夠作為CO₂的結(jié)合位點(diǎn)和催化位點(diǎn)，賦予1更高的電荷轉(zhuǎn)移速率、更大的電化學(xué)活性面積以及更高的催化活性。這充分說(shuō)明，鎳的二硫烯配體中[NiS₄]金屬不飽和配位點(diǎn)的引入，可以通過(guò)類(lèi)酶途徑有效調(diào)控該類(lèi)材料的電催化活性，為以后設(shè)計(jì)合成高效穩(wěn)定的類(lèi)酶電催化劑提供了新的思路。

圖3 MOFs 1和2電催化CO₂還原性能比較

相關(guān)成果以“In(III) Metal?Organic Framework Incorporated with Enzyme- Mimicking Nickel Bis(dithiolene) Ligand for Highly Selective CO₂ Electroreduction”為題，于2021年8月27日在J. Am. Chem. Soc.上在線(xiàn)發(fā)表（DOI: 10.1021/jacs.1c06797）。周艷博士和博士生劉盛堂為該論文共同第一作者，博士生顧玉明和溫哥華分別在理論計(jì)算以及氣體吸附測(cè)試實(shí)驗(yàn)中提供了大力幫助。以上研究工作得到了配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、介觀化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持或資助。

使用MspA納米孔監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)換

蛋白質(zhì)在參與機(jī)體的生理過(guò)程中常伴隨著構(gòu)象的改變。觀察蛋白質(zhì)在溶液環(huán)境的構(gòu)象變化和相互作用有助于理解其運(yùn)行機(jī)制且非常具有挑戰(zhàn)性。相比于對(duì)體系內(nèi)總體平均的結(jié)果進(jìn)行分析的集成方法，時(shí)間解析的單分子分析技術(shù)在研究單個(gè)蛋白質(zhì)的過(guò)渡瞬態(tài)和復(fù)雜的功能機(jī)制等方面更具優(yōu)勢(shì)。

單通道納米孔分析技術(shù)正在成為無(wú)標(biāo)簽實(shí)時(shí)分析單個(gè)蛋白質(zhì)的有力工具。它微秒級(jí)的時(shí)間尺度非常適合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的高分辨監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析單一的蛋白質(zhì)被捕獲后產(chǎn)生的電流封鎖及其對(duì)應(yīng)的事件時(shí)間即可實(shí)時(shí)反映蛋白質(zhì)的活動(dòng)過(guò)程。近年來(lái)，一系列生物納米孔例如溶細(xì)胞素A（ClyA），曲霉毒素C（FraC）和胸膜溶素AB（PlyAB）已被證明可用于研究蛋白質(zhì)的多種結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。這些生物孔道都具有較大容積的空腔可以完全容納蛋白質(zhì)分析物，且都經(jīng)過(guò)了一定的工程改造以增加對(duì)蛋白質(zhì)的捕獲效率，這對(duì)于納米孔自身的形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有較高的要求。 

圖1. MspA對(duì)鈣調(diào)素變構(gòu)轉(zhuǎn)換的隨機(jī)傳感示意圖

最近，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院黃碩團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新的檢測(cè)方案，使用錐形結(jié)構(gòu)的恥垢分枝桿菌膜蛋白A (MspA)作為納米陷阱在部分容納待測(cè)蛋白的狀態(tài)下對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。MspA具有易改造和制備，穩(wěn)定性強(qiáng)能夠耐受酸堿環(huán)境、高溫和高電壓的優(yōu)點(diǎn)，此前已經(jīng)被成熟地應(yīng)用于DNA測(cè)序、單分子化學(xué)分析和納米孔力譜等方面。該篇工作也是MspA納米孔首次系統(tǒng)地應(yīng)用于蛋白質(zhì)-配體結(jié)合以及病理學(xué)突變相關(guān)的蛋白構(gòu)象變化的無(wú)標(biāo)記檢測(cè)，展現(xiàn)出了極佳的靈敏度和分辨率（圖1）。 

圖2. apo-wtCaM、Ca-wtCaM和M13-Ca-wtCaM捕獲的單分子特征

該工作選擇鈣調(diào)素（CaM）作為該策略的研究對(duì)象，對(duì)其三種構(gòu)象異構(gòu)體進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)表征研究（圖2），證明了MspA納米陷阱能夠直接區(qū)分鈣調(diào)素的構(gòu)象變化。同時(shí)，作者也進(jìn)行了單個(gè)氨基酸病理突變型的結(jié)構(gòu)研究（圖3），首次從單分子尺度發(fā)現(xiàn)致病突變D129G引發(fā)鈣調(diào)素功能變化是由部分結(jié)構(gòu)域失去了結(jié)合鈣離子的能力，引起的結(jié)構(gòu)失調(diào)所導(dǎo)致的。

圖3. 病理學(xué)突變型CaM-D129G捕獲的單分子特征

作者還評(píng)估了不同離子(Mg²⁺/Ca²⁺/Sr²⁺/Ba²⁺/Pb²⁺)對(duì)鈣調(diào)素功能的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離子結(jié)合產(chǎn)生的不同別構(gòu)狀態(tài)之間的比例進(jìn)行了系統(tǒng)的單分子研究，獲得了結(jié)合能力的排序。值得注意的是，鈣調(diào)素與金屬離子充分結(jié)合時(shí)具有相同的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為平均阻孔電流相似，但仍然可用阻塞電流波動(dòng)差異很好地區(qū)分開(kāi)，證明不同離子結(jié)合鈣調(diào)素后蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)波動(dòng)不同，這是本研究中首次報(bào)道的一種現(xiàn)象。最后，作者使用MspA實(shí)時(shí)檢測(cè)了由Tb³⁺結(jié)合引起的鈣調(diào)蛋白的聚集過(guò)程并與Ca²⁺對(duì)比，首次捕獲到了鈣調(diào)素和Tb³⁺結(jié)合的一個(gè)中間態(tài)，揭示了Tb³⁺作為Ca²⁺的熒光替代物用于研究鈣結(jié)合蛋白的局限性。該工作證明了MspA作為傳感器對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的高度敏感性和巨大潛力，為納米孔蛋白質(zhì)分析提供了新選擇。

圖4. 鈣調(diào)素在不同二價(jià)離子存在下的結(jié)構(gòu)分析

該工作以“Allosteric Switching of Calmodulin in a Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) Nanopore-Trap“為題，于2021年8月27日發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110545，DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202110545 ）。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生劉瑤為該論文第一作者，黃碩教授為論文通訊作者，陳洪淵院士對(duì)該工作做出了重要指導(dǎo)。此項(xiàng)研究得到了生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及南京大學(xué)化學(xué)和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院(ChemBIC)的重要支持。國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：31972917, 91753108, 21675083）、江蘇省高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才引進(jìn)計(jì)劃（個(gè)人、團(tuán)體計(jì)劃）、江蘇省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：BK20200009）、南京大學(xué)生命科學(xué)分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(項(xiàng)目編號(hào):5431ZZXM1902)、南京大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。

參考資料

https://chem.nju.edu.cn/38/01/c12639a538625/page.htm

https://chem.nju.edu.cn/37/fe/c12639a538622/page.htm