毛兰群&汪铭Angew：蛋白质原位封装用于细胞内生物催化

通讯作者：汪铭

通讯单位：中科院化学所

氢键有机骨架（HOFs）是一类新型多孔材料被广泛的应用于分子催化、荧光传感和气体分离等领域。得益于其氢键相互作用弱且是动态的，HOFs非常适合生物医学应用（例如：小分子药物递送和抗菌）。然而，HOFs和生物大分子的自组装限制了HOFs在细胞内的功能。

基于此，中科院化学所汪铭研究员和北京师范大学毛兰群教授利用蛋白质残基（如谷氨酸和精氨酸）与HOFs之间的H键相互作用，将蛋白质原位封装在纳米级HOFs（nHOFs）中用于细胞内递送酶催化活细胞。相关工作以“In-Situ Encapsulation of Protein into Nanoscale Hydrogen-Bonded Organic Frameworks for Intracellular Biocatalysis”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

图1. 蛋白质原位自组装和封装成纳米级HOFs用于细胞内生物催化的示意图。

详细地，研究人员利用四（4-脒苯基）甲烷（TAM）和偶氮苯二甲酸酯（ZAB）之间的氢键相互作用自组装TA-HOF，进一步在温和条件下使蛋白质原位封装到nHOFs中形成蛋白质@nHOFs。这种蛋白质封装策略对于不同表面电荷和分子量的蛋白质，都表现出较高的蛋白质包封效率和几乎不会影响蛋白质的活性。

研究人员发现蛋白质@nHOFs可以有效地被细胞内化，以保留酶活催化活细胞中的化学转化。使用nHOFs对过氧化氢酶（CAT）进行有效的封装和细胞递送，可以通过降解神经细胞的活性氧来显着减轻氧化应激，从而起到神经保护作用。结果表明将纳米级HOFs与生物大分子连接起来用于细胞功能探究和生物医学应用具有巨大的潜力。

图2. β-Gal的细胞内递送用于活细胞中的酶催化：（a）通过测量O-硝基苯基-β-D-吡喃半乳糖苷（2 mM）的催化水解测定β-Gal@TA-HOFs（5 nM β-Gal）的酶活性测定。(b) 由β-Gal 催化的荧光素二 (β-D-吡喃半乳糖苷) (FDG) 水解为荧光素的示意图。(c) 用β-Gal@TA-HOFs（9.4 μg/mL β-Gal，80 μMTA-HOFs）处理 18 小时的 HeLa细胞的 CLSM 图像，然后与 33.3μM FDG 再孵育 4 小时。比例尺：20 μm。

图 3. 用于清除 ROS 的 CAT 细胞内递送。(a) SY-SY5Y 细胞在 6-OHDA 孵育（320 μM）前用 CAT 或单独的 TAHOF 或CAT@TA-HOF（含 11.2 μg/mL CAT，80 μM TA-HOF）预处理 18 小时的荧光图像 . 在 CLSM 成像之前，使用 20 μMDCFH-DA 对上述不同处理后的细胞内 ROS 水平进行成像。比例尺：20 μm。(b) 在进行流式细胞术分析以量化荧光强度变化之前，使用 20 μM DCFH-DA 成像的上述不同处理后孵育的SY-SY5Y 细胞的归一化荧光强度。将荧光强度标准化为用CAT@TA-HOFs 处理的细胞。(c) SHSY5Y 细胞与游离 CAT、单独的 TA-HOF（40、80 或 120 μMTA-HOF）和 CAT@TA-HOF 孵育 18 小时，然后用 6 OHDA（320 μM）处理 12 小时的活力。MTT法测定细胞活力。*** 代表 p<0.001。

参考文献：

Jiakang Tang, Ji Liu, Qizhen Zheng, Wenting Li, Jinhan Sheng, Lanqun Mao, Ming Wang, In-Situ Encapsulation of Protein into Nanoscale Hydrogen-Bonded Organic Frameworks for Intracellular Biocatalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202105634.