基于识别和发光双功能锆基金属-有机框架纳米材料的酶活性和酶催化反应动力学研究

Due to the importance of enzyme in life process, the activity assay of enzyme and the kinetic analysis of enzyme catalysis are of great significance to biochemistry, clinical diagnosis and drug development. Using metal-organic framework (MOF) as quencher to the assay of enzyme activity is the frontier of this research area. However, additional fluorescent probes are necessary to be added to the analysis systems. Therefore, the development of the MOF with the functions of both emission and recognition, and using them to the real-time monitoring of enzyme catalysis kinetics and the assay of enzyme activity is a challenging research direction. In this project, we will design and synthesize a series of bifunctional nanoscale MOF materials by the modulation of the structure and property of bridging ligands. Based on these materials, an enzyme activity assay method will be established by the label-free and real-time monitoring of enzyme catalysis kinetics. This method will be applied to the kinetic property study of enzyme catalysis, the screening of enzyme inhibitor and the in situ analysis of cell. The proceeding of this project would have great scientific significance to the development of nanoanalysis technology, and the obtained enzyme activity assay method would be extensively applied to kinetic research and clinical diagnosis.

酶在生命活动中至关重要，研究酶的活性和酶催化反应动力学性质对生物化学、临床诊断以及药物开发均具有重要意义。目前以金属有机框架材料（MOF）作为淬灭剂研究酶活性属于该领域的研究前沿，但需要引入额外的荧光探针。因此，开发出一类集识别、发光于一体的双功能纳米MOF，并将其应用于酶催化反应动力学过程的实时荧光监测和酶活性研究是一项充满挑战的课题。本申请项目拟通过对MOF中桥连配体的结构和性能的调控，设计合成具有双功能的纳米MOF，以此为基础，建立对酶催化反应动力学免标记实时监测的酶活性研究方法。同时，将该方法应用于对酶催化反应动力学性质的研究、抑制剂筛选以及细胞原位分析。本申请项目的实施对于纳米检测技术的发展具有重要的科学意义，所开发出的酶活性研究方法将在动力学研究和临床诊断等领域具有很高的应用价值。

酶在生命活动中至关重要，研究酶的活性和酶催化反应动力学性质对生物化学、临床诊断以及药物开发均具有重要意义。金属有机框架（MOF）作为近年来迅速发展的一类荧光传感材料，在该领域具有非常广阔的应用前景。本项目使用一类集识别和发光双功能于一体的MOF材料，利用其对酶催化反应的底物和产物不同的荧光响应，将反应进度转化为荧光信号，实现对反应动力学的实时监测。本项目共制备得到了16个系列的具有单一且确定晶相、颗粒尺寸在微/纳米级别、形貌规则且具有较高稳定性的发光MOF样品。通过测量这些样品的发光特性和响应行为，从中筛选得到4个以MOF为传感材料的酶催化反应动力学测量体系：以2-氨基对苯二甲酸-La3+基微米MOF测量酪氨酸氧化酶催化反应动力学；以1,3,5-三(4-羧基苯基)苯-Zr4+基纳米MOF测量黄嘌呤氧化酶催化反应动力学；以5-氨基间苯二甲酸-In3+基二维MOF纳米片为测量葡萄糖氧化酶催化反应动力学；以2-氨基对苯二甲酸-In3+基纳米MOF测量碱性磷酸酶催化反应动力学。这些检测体系除表现出高的灵敏度和选择性以及宽的定量范围外，还由于异相检测的特点，避免了对酶催化反应的干扰，因此表现出相对于传统的均相测量方法更为准确的结果。这些测量方法被成功应用于酶催化动力学性质的研究以及抑制剂的快速筛选。此外，本项目还在研究MOF荧光响应的基础上，开发出一系列MOF荧光传感器，将其用于对有机污染物（多环芳烃、内分泌干扰物、多卤代酚/醌）、药物（抗生素、生物碱）以及生理代谢物（H2O2、葡萄糖、苯丙酮酸）等的检测。以上研究均取得了理想的结果。本项目已超额完成了全部研究计划内容，所得研究结果对于MOF在传感领域的应用具有重要的科学意义，所开发的传感器在生物和环境分析方面具有潜在的应用价值。