氧化還原活性金屬有機框架材料合成以及類酶催化

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

近年來，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，高選擇性，高效電子轉(zhuǎn)移速率等。金屬有機框架材料(MOFs)具有可調(diào)節(jié)的孔徑尺寸和功能化的金屬位點，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)團隊在前期新型電荷轉(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，過渡金屬Mn配位多孔材料具有良好的電化學(xué)葡萄糖識別性能（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等優(yōu)勢，其[NiS₄]位點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%），同時還具有較寬的電壓窗口和長時間穩(wěn)定性。進(jìn)一步催化機理研究和密度泛函理論計算結(jié)果表明，[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]基元中的不飽和金屬配位點[NiS₄]，能夠作為CO₂的結(jié)合位點和催化位點，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。這充分說明，鎳的二硫烯配體中[NiS₄]金屬不飽和配位點的引入，可以通過類酶途徑有效調(diào)控該類材料的電催化活性，為以后設(shè)計合成高效穩(wěn)定的類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算以及氣體吸附測試實驗中提供了大力幫助。以上研究工作得到了配位化學(xué)國家重點實驗室、介觀化學(xué)教育部重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的支持或資助。

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

蛋白質(zhì)在參與機體的生理過程中常伴隨著構(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行機制且非常具有挑戰(zhàn)性。相比于對體系內(nèi)總體平均的結(jié)果進(jìn)行分析的集成方法，時間解析的單分子分析技術(shù)在研究單個蛋白質(zhì)的過渡瞬態(tài)和復(fù)雜的功能機制等方面更具優(yōu)勢。

單通道納米孔分析技術(shù)正在成為無標(biāo)簽實時分析單個蛋白質(zhì)的有力工具。它微秒級的時間尺度非常適合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的高分辨監(jiān)測。通過分析單一的蛋白質(zhì)被捕獲后產(chǎn)生的電流封鎖及其對應(yīng)的事件時間即可實時反映蛋白質(zhì)的活動過程。近年來，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)過了一定的工程改造以增加對蛋白質(zhì)的捕獲效率，這對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對鈣調(diào)素變構(gòu)轉(zhuǎn)換的隨機傳感示意圖

最近，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院黃碩團隊報道了一種新的檢測方案，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蛋白的狀態(tài)下對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。MspA具有易改造和制備，穩(wěn)定性強能夠耐受酸堿環(huán)境、高溫和高電壓的優(yōu)點，此前已經(jīng)被成熟地應(yīng)用于DNA測序、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)象變化的無標(biāo)記檢測，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象，對其三種構(gòu)象異構(gòu)體進(jìn)行了全面的實驗表征研究（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，作者也進(jìn)行了單個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

作者還評估了不同離子(Mg²⁺/Ca²⁺/Sr²⁺/Ba²⁺/Pb²⁺)對鈣調(diào)素功能的競爭關(guān)系，通過實時監(jiān)測離子結(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差異很好地區(qū)分開，證明不同離子結(jié)合鈣調(diào)素后蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)波動不同，這是本研究中首次報道的一種現(xiàn)象。最后，作者使用MspA實時檢測了由Tb³⁺結(jié)合引起的鈣調(diào)蛋白的聚集過程并與Ca²⁺對比，首次捕獲到了鈣調(diào)素和Tb³⁺結(jié)合的一個中間態(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，陳洪淵院士對該工作做出了重要指導(dǎo)。此項研究得到了生命分析化學(xué)國家重點實驗室以及南京大學(xué)化學(xué)和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院(ChemBIC)的重要支持。國家自然科學(xué)基金（項目編號：31972917, 91753108, 21675083）、江蘇省高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才引進(jìn)計劃（個人、團體計劃）、江蘇省自然科學(xué)基金（項目編號：BK20200009）、南京大學(xué)生命科學(xué)分析化學(xué)國家重點實驗室(項目編號:5431ZZXM1902)、南京大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項目等經(jīng)費支持。

參考資料

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

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