近日，我院陈强课题组在《Nature Communications》期刊上在线发表了题为“Mechanically locking enzymes in covalent organic frameworks via light-responsive nanohands for stable biocatalysis”的研究论文。西南大学本科生王田田、钱扬、博士生周弘历、硕士生张金琳为论文共同第一作者。西南大学陈强教授为论文唯一通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

酶作为自然界演化孕育的精密催化机器，凭借其无可比拟的化学选择性、区域选择性和温和条件下的催化效率，在绿色合成、精细化工和生物医药领域扮演着日益关键的角色。然而，酶分子离开胞内环境后往往面临结构失稳、难以回收复用等瓶颈，将酶固定化于多孔固态载体由此成为连接生物催化与工业应用的核心技术环节。当前广泛采用的物理吸附策略操作温和、无需对酶进行共价修饰，却因传统载体的孔道结构静态僵化，难以与酶分子形成稳定适配，长期运行中酶易发生泄漏，催化寿命因而大打折扣。如何在不牺牲酶构象柔性和催化活性的前提下，实现对其牢固而温和的限域稳定，是酶固定化领域的科学难题之一。

针对上述挑战，该研究提出了一种全新的动态孔道机械锁定策略。研究团队通过向共价有机框架（COF）骨架中精准嵌入四氟偶氮苯光敏单元，构建出一类孔道尺寸可由可见光调控的介孔晶体材料。在光谱切换下，四氟偶氮苯基元发生可逆顺反异构化，犹如分子尺度的纳米手在孔道内伸缩开合，驱动载体孔道在“开放”与“闭合”态之间可逆切换。大孔状态下，酶分子自由扩散进入孔道内部并均匀分布；小孔状态下，伸展的纳米手对限域酶形成机械锁定，将酶分子牢固封装于孔道空间之中。该策略对多种酶均展现出良好的普适锁定效果。将该固定化体系集成于连续流微反应平台，稳定运行超过22000分钟，活性半衰期较静态孔道体系延长47倍。研究揭示，光响应性孔道收缩与纳米手嵌入酶分子内部共同驱动了酶构象重塑，显著提升了限域稳定性和结构鲁棒性。

该研究成果跳出了固定化酶载体以静态结构匹配生物大分子的传统设计框架，从主客体关系的源头出发，提出了由被动容纳走向主动动态适配这一理念，为发展兼具高稳定性与高催化效率的生物催化剂体系提供了新思路。