[go: up one dir, main page]

CN111111782A - DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用 - Google Patents

DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111111782A
CN111111782A CN201911258157.3A CN201911258157A CN111111782A CN 111111782 A CN111111782 A CN 111111782A CN 201911258157 A CN201911258157 A CN 201911258157A CN 111111782 A CN111111782 A CN 111111782A
Authority
CN
China
Prior art keywords
g4dna
composite material
dna
hybrid catalyst
preparation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911258157.3A
Other languages
English (en)
Inventor
裴昊
李丽
钟慧业
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
East China Normal University
Original Assignee
East China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by East China Normal University filed Critical East China Normal University
Priority to CN201911258157.3A priority Critical patent/CN111111782A/zh
Publication of CN111111782A publication Critical patent/CN111111782A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/16Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing coordination complexes
    • B01J31/1691Coordination polymers, e.g. metal-organic frameworks [MOF]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/02Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
    • B01J31/0234Nitrogen-, phosphorus-, arsenic- or antimony-containing compounds
    • B01J31/0235Nitrogen containing compounds
    • B01J31/0244Nitrogen containing compounds with nitrogen contained as ring member in aromatic compounds or moieties, e.g. pyridine
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/16Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing coordination complexes
    • B01J31/22Organic complexes
    • B01J31/2204Organic complexes the ligands containing oxygen or sulfur as complexing atoms
    • B01J31/2208Oxygen, e.g. acetylacetonates
    • B01J31/2217At least one oxygen and one nitrogen atom present as complexing atoms in an at least bidentate or bridging ligand
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C45/00Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds
    • C07C45/51Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by pyrolysis, rearrangement or decomposition
    • C07C45/52Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by pyrolysis, rearrangement or decomposition by dehydration and rearrangement involving two hydroxy groups in the same molecule
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2531/00Additional information regarding catalytic systems classified in B01J31/00
    • B01J2531/02Compositional aspects of complexes used, e.g. polynuclearity
    • B01J2531/0213Complexes without C-metal linkages
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2531/00Additional information regarding catalytic systems classified in B01J31/00
    • B01J2531/20Complexes comprising metals of Group II (IIA or IIB) as the central metal
    • B01J2531/26Zinc
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2602/00Systems containing two condensed rings
    • C07C2602/02Systems containing two condensed rings the rings having only two atoms in common
    • C07C2602/04One of the condensed rings being a six-membered aromatic ring
    • C07C2602/12One of the condensed rings being a six-membered aromatic ring the other ring being at least seven-membered

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明公开了一种DNA杂合催化剂(G4DNA)/MOFs复合材料的制备方法,将富含鸟嘌呤(G)的单链DNA的缓冲液依次与氯化钾(KCl)缓冲液、氯化血红素(Hemin)缓冲液混合,得到所述DNA杂合催化剂。将一定量G4DNA与咪唑‑2‑甲醛的水溶液(200mM,含2wt%的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP))在室温下混合,加入硝酸锌的水溶液(416mM)后,搅拌得到所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料——G4DNA@ZIF‑90。所述制备方法反应条件简单,合成步骤少,耗时短,生产成本低。所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料的制备方法用于将人工酶应用于工业催化领域,具有潜在的应用价值。

Description

DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于生物催化剂的工业催化领域,涉及一种DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用。
背景技术
DNA杂合催化剂(DNA-basedhybrid catalysts)是一种由DNA(双链DNA,G-四链体DNA和镜像DNA)和过渡金属络合物共价或超分子结合形成的生物催化剂。DNA杂合催化剂目前在有机合成领域如狄尔斯-阿尔德反应、傅里德-克拉夫茨反应、迈克尔加成等等有着多种应用。与天然酶相比,DNA杂合催化剂具有诸如可生物降解、体积小、成本低、易于原位合成、更高的稳定性、与现有固定化技术相兼容等优点。因此,将DNA杂合催化剂作为天然酶的替代物用于工业催化,这对于扩大DNA杂合催化剂的实用性具有非常重要的意义。
为了防止DNA杂合催化剂在有机溶剂中变性导致活性失效,目前大多数的研究使用水性缓冲液作为反应溶剂。但是,大多数的有机底物/产物因为水溶性差通常悬浮在溶液中,因而传质的限制也导致反应通常需要较长的时间。与此同时,为了增加酶之类的生物催化剂在有机溶剂中的稳定性,通常采用“固定化”的策略。在过去的几十年中,已开发出各种类型的无机多孔材料用于酶固定化,如介孔二氧化硅、碳纳米管、沸石、玻璃、硅藻土等。
然而,这些在过去几年中广泛使用的无机多孔材料存在着以下几个问题:1)负载率低,如介孔二氧化硅虽然具有较大表面积和孔体积,但较低的负载率阻碍了介孔二氧化硅作为生物催化剂载体的应用。2)合成工艺问题导致合成过程中生物催化剂存在易失活现象,如固定在水凝胶或有机微粒中的生物催化剂由于材料的溶胀或降解,很容易导致生物催化剂的浸出及变性。3)生物催化剂存在浸出现象。
发明内容
针对天然酶和现有技术存在的不足,本发明的目的在于解决DNA杂合催化剂固定化材料制备繁杂的问题,克服DNA杂合催化剂在固定化过程中易变性、失活的不足;选用可在水相合成,且生物相容性较好的金属有机框架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)作为DNA杂合催化剂的固定材料。MOFs是由有机连接体和金属离子自组装形成的一类有机-无机纳米杂合材料。相比常规固定材料,MOFs由于具有均匀且可调的孔径和形状、大表面积、高孔隙率、温和的合成条件等优势。本发明将MOFs作为DNA杂合催化剂的固定材料以此来增强DNA杂合催化剂在有机溶剂中稳定性,以增强DNA杂合催化剂在工业催化的实用性。同时利用DNA杂化催化剂易原位合成的特点,在该复合材料循环催化活性降低时,在MOFs材料内部原位再合成DNA杂化催化剂以恢复活性,从而提高其可重复使用性。
本发明制备DNA杂合催化剂/MOFs复合材料的反应机理如图1所示,具体内容如下所述:
本发明采用“从头合成法”(de novo approach)固定DNA杂合催化剂—G-四链体DNA(G4DNA),在从头合成法中,MOFs的成核和生长以及生物分子的固定化是在一个步骤中同时进行的。最终导致生物分子被MOFs的框架包围,就像琥珀中的昆虫一样,此方法为生物分子提供了3D微环境,且生物分子的浸出率最少。
根据上述原理,本发明采用如下的技术方案:
本发明提出了一种DNA杂合催化剂(G4DNA)/MOFs复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成DNA杂合催化剂(G4DNA):
在缓冲溶液中,将富含鸟嘌呤G的单链DNA、钾盐、氯化血红素Hemin混合,得到所述DNA杂合催化剂;具体包括:
步骤(1)中,所述富含鸟嘌呤(G)的单链DNA是指HT-DNA,该DNA的序列为5’-GGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’)
所述富含鸟嘌呤(G)的单链DNA可用不同种类仿HRP活性的富含鸟嘌呤G的单链DNA替代,所述仿HRP活性的富含鸟嘌呤G的单链DNA为ARGO-1000、HT-DNA、PS2.M、PS5.M、T30695单链DNA中的一种或多种。
步骤(1)中,所述钾盐包括:氯化钾(KCl)、硫酸钾、硝酸钾等中的一种或多种。
步骤(1)中,混合前,所述富含鸟嘌呤G的单链DNA的浓度为50-150μM;优选地,为100μM。
步骤(1)中,混合前,所述氯化血红素的浓度为50-150μM;优选地,为100μM;
步骤(1)中,混合前,所述钾盐的浓度为0.01-0.04M;优选地,为0.03M。
步骤(1)中,所述富含鸟嘌呤G的单链DNA、氯化血红素Hemin、钾盐在缓冲溶液中的浓度比为(0.5-1.5):(0.5-1.5):(100-400),优选为1:1:300。
步骤(1)中,所述缓冲溶液为Tris-HCl缓冲液、TE缓冲液、HEPES缓冲液等中的一种或多种;优选地,为Tris-HCl缓冲液。所述缓冲液的pH为7-8,优选为pH=7.4。进一步优选地,所述缓冲液为pH=7.4的Tris-HCl缓冲溶液。
步骤(1)中,混合后,所述缓冲液的浓度为5-20mM;优选地,为10mM。
步骤(1)中,所述混合的温度为15-35℃;优选地,为25℃。
(2)合成DNA杂合催化剂/MOFs复合材料(G4DNA/MOFs复合材料):
在水溶液中,加入步骤(1)得到的G4DNA、咪唑-2-甲醛、锌盐,混合,得到所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料。
步骤(2)中,所述咪唑-2-甲醛溶液可被2-甲基咪唑溶液代替,则可以合成ZIF-8系列MOFs材料,对G4DNA有同样的包裹效果。
步骤(2)中,混合前,所述G4DNA的浓度为20-40μM;优选地,为33.3μM。
混合前,所述咪唑-2-甲醛的浓度为200mM,其中,含2wt%的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为稳定剂。
混合前,所述硝酸锌的浓度为416mM。
步骤(2)中,所述G4DNA、咪唑-2-甲醛和硝酸锌在水溶液中的浓度比为(360-720):36000000:832;优选地,为599.4:36000000:832。
步骤(2)中,所述锌盐包括硝酸锌、硫酸锌、氯化锌等中的一种或几种。
步骤(2)中,所述搅拌的条件为:在500rpm搅拌10分钟;
步骤(2)中,所述离心的转速为14000rpm(14,000g)。
在一具体实施方式中,所述方法具体包括以下步骤:
(a)将富含鸟嘌呤(G)的单链DNA的缓冲液先与钾盐缓冲液混合,进行第一次静置,然后与氯化血红素(Hemin)缓冲液混合,然后进行第二次静置,得到所述DNA杂合催化剂(G4DNA)。
(b)将步骤(1)得到的G4DNA、咪唑-2-甲醛的水溶液混合,然后加入锌盐的水溶液,搅拌、离心,得到所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料。
步骤(a)中,所述富含鸟嘌呤(G)的单链DNA与与钾盐缓冲液混合后,静置1-3小时(优选2小时),形成G4DNA的二级结构。
步骤(a)中,混合前,所述富含鸟嘌呤G的单链DNA的浓度为50-150μM;优选地,为100μM;
混合前,所述氯化血红素的浓度为50-150μM;优选地,为100μM;
混合前,所述钾盐的浓度为0.01-0.04M;优选地,为0.03M。
所述富含鸟嘌呤G的单链DNA的缓冲液、钾盐的缓冲液、氯化血红素Hemin的缓冲液的体积比为1:1:1。
步骤(a)中,所述第一次静置、第二次静置的温度均为15-35℃;优选地,为25℃。
步骤(a)中,所述第一次静置、第二次静置的时间均为1-3小时;优选地,为2小时。
步骤(b)中,
混合前,所述G4DNA的浓度为20-40μM;优选地,为33.3μM。
混合前,所述咪唑-2-甲醛的水溶液的浓度为200mM,其中,含2wt%的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为稳定剂。
混合前,所述硝酸锌的水溶液的浓度为416mM。
步骤(2)中,所述G4DNA、咪唑-2-甲醛和硝酸锌在水溶液中的浓度比为(360-720):36000000:832;优选地,为599.4:36000000:832。
所述G4DNA、咪唑-2-甲醛的水溶液和硝酸锌的水溶液的体积比为3:18:2。
在另一具体实施方式中,所述方法具体包括以下步骤:
(1)将富含鸟嘌呤(G)的单链DNA的缓冲液与氯化钾(KCl)缓冲液、氯化血红素(Hemin)缓冲液混合,然后静置,得到所述DNA杂合催化剂G4DNA;
(2)将步骤(1)得到的G4DNA与咪唑-2-甲醛的水溶液混合后,然后加入硝酸锌的水溶液后,搅拌、离心,得到所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料。
本发明还提供了由上述方法制备得到的DNA杂合催化剂/MOFs复合材料(G4DNA/MOFs复合材料),所述G4DNA/MOFs复合材料为粒径1微米左右的菱形十二面体颗粒,如附图2所示,为本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料,所述复合材料为粒径1微米左右的菱形十二面体颗粒。
本发明所述的“G4DNA/MOFs复合材料”相比纯G4DNA、天然辣根过氧化物酶(HRP)具有有机溶剂耐受性好、高温耐受性好的优点。相比天然酶,所述G4DNA/MOFs复合材料具有的活性可恢复能力增加了生物催化剂的回收再利用价值。
本发明还提供了所述G4DNA/MOFs复合材料在有机相催化中的应用。
在一个具体实施方式中,所述G4DNA/MOFs复合材料的制备方法如下:
(1)合成G4DNA(33.3μM):将合成G4DNA的原料--富含串联重复鸟嘌呤(G)单链DNA的Tris-HCl缓冲液(100μM)在88℃加热10分钟以退火,使其更好的形成二级结构,有利于形成G4结构,逐渐冷却至室温待用。然后,将等体积KCl的Tris-HCl缓冲液(0.03M)添加到上述单链DNA溶液中,静置2小时以形成G4DNA的二级结构。最后,将等体积氯化血红素的Tris-HCl缓冲液(100μM)溶解在上述溶液中,并在室温下放置2小时以形成G4DNA。形成的G4DNA(33.3μM)储存在4℃备用。以上所用的Tris-HCl缓冲液浓度都为10mM。
(2)合成G4DNA/MOFs复合材料:1.8ml咪唑-2-甲醛(200mM,含2wt%的PVP)的水溶液中加入300ul G4DNA,搅拌30s,然后加入200ul硝酸锌的水溶液(416mM)后,500rpm搅拌10分钟,14,000g离心收集固体产物。最后用10mM Tris-HCl缓冲液洗涤三次以除去物理吸附在MOFs颗粒表面的G4DNA。
本发明合成得到的G4DNA/MOFs复合材料具有选择性催化能力(实施例1中制备的G4DNA/MOFs复合材料)。
本发明合成得到的G4DNA/MOFs复合材料具有活性可恢复能力(实施例1中制备的G4DNA/MOFs复合材料)。
本发明所述的合成方法对于G4DNA的包覆率达到99.9%,且没有G4DNA吸附在固体表面(实施例1中制备的G4DNA/MOFs复合材料)。
本发明合成得到的G4DNA/MOFs复合材料在有机相中具有对有机溶剂的尺寸屏蔽效应(实施例1中制备的G4DNA/MOFs复合材料)。
本发明合成得到的G4DNA/MOFs复合材料在有机相中的催化活性比天然酶/MOFs复合材料好,且G4DNA/MOFs复合材料具有一定的活性恢复能力(实施例1中制备的G4DNA/MOFs复合材料)。
本发明所提供的G4DNA/MOFs复合材料的制备方法,反应条件简单,合成步骤少,耗时短,生产成本低。本发明所提供的G4DNA/MOFs复合材料用于工业催化,相比纯G4DNA、HRP具有有机溶剂耐受性好、高温耐受性好的优点。而相比天然酶,G4DNA/MOFs复合材料具有的活性可恢复能力增加了生物催化剂的回收再利用价值。
本发明所述的G4DNA具有仿天然辣根过氧化物酶(HRP)的催化活性,且具有比天然酶更多的优势,诸如可生物降解、体积小、成本低、易于原位合成、更高的稳定性、与现有固定化技术相兼容等。所述MOFs合成方法温和,对生物分子的活性影响小,增加了G4DNA在有机溶剂的稳定性、高温稳定性。在相同的MOFs材料包裹下,G4DNA@ZIF-90比HRP@ZIF-90在有机相中有着更好的催化活性。且由于DNA杂合催化剂本身具备原位合成能力,因此可将循环催化过后活性降低的G4DNA@ZIF-90重新原位合成G4DNA以恢复一定的催化活性,这种活性恢复能力是天然酶所不具备的。所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料的制备方法用于将人工酶应用于工业催化领域,具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料的反应机理图。
图2是本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料的SEM图。
图3是本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料对连苯三酚和愈创木酚的尺寸选择性催化能力图,其中,图3a为连苯三酚和愈创木酚及其相应产物的分子尺寸示意图;图3b为G4DNA/MOFs复合材料催化连苯三酚和愈创木酚的初始速率比较图。
图4是本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料不同催化循环的活性比较图以及浸泡在不同溶液中活性恢复情况图,其中,图4a为G4DNA/MOFs复合材料循环催化连苯三酚的相对活性比较图;图4b为循环催化三次的G4DNA/MOFs复合材料分别浸泡在钾离子溶液、氯化血红素溶液、钾离子/氯化血红素混合溶液中恢复活性并在此催化的相对活性比较图。
图5是本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料与G4DNA在不同温度下的催化活性比较图,其中,图5a为G4DNA@ZIF-90在不同温度下的催化活性;图5b为G4DNA在不同温度下的催化活性。
图6是本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料和纯G4DNA与核酸外切酶|共置1小时后的活性比较图。
图7是本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料浸泡在不同尺寸有机溶剂中1小时后的活性残余情况图。
图8是本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料与具有相似催化活性的HRP/MOFs复合材料在不同有机溶剂中循环催化并恢复活性的情况图,其中,图8a溶剂为乙醇;图8b溶剂为丙酮;图8c溶剂为乙二醇乙醚;图8d溶剂为乙腈;图8e溶剂为乙酸乙酯;图8f溶剂为二甲亚砜;图8g溶剂为二甲基甲酰胺;图8h溶剂为甲醇;图8i溶剂为异丙醇。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等,除以下专门提及的内容之外,均为本领域的普遍知识和公知常识,本发明没有特别限制内容。
实施例1G4DNA/MOFs复合材料(G4DNA@ZIF-90)的制备
(1)将富含鸟嘌呤G的单链DNA的缓冲液与氯化钾KCl缓冲液、氯化血红素Hemin缓冲液混合,得到所述DNA杂合催化剂G4DNA;
(2)将步骤(1)得到的G4DNA、咪唑-2-甲醛的水溶液与硝酸锌的水溶液混合(合成方法反应机理图如图1所示),得到所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料,所述G4DNA/MOFs复合材料的SEM图如图2所示。
实施例2G4DNA/MOFs复合材料对连苯三酚和愈创木酚的尺寸选择性催化
检测本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料(G4DNA@ZIF-90)在水溶液中的催化活性:
将H2O2(1.9mM)加到含约4mg G4DNA@ZIF-90和10mM连苯三酚(THB)或10mM愈创木酚的1mLTris-HCl缓冲液(10mM,pH=7)中以引发反应。使用紫外-可见分光光度计在反应的各个时间点测量上清液产物的吸光度值,如图3b所示的产物初始速率图,连苯三酚和愈创木酚的分子尺寸相对较小且相似,用连苯三酚作为底物,G4DNA@ZIF-90催化产生红倍酚的初始速率约为游离G4DNA催化的68%;而使用愈创木酚作为底物未观察到产物,这是由于愈创木酚的催化产物的分子尺寸远大于ZIF-90的孔径,因此可以证明本发明制备的G4DNA@ZIF-90具有尺寸选择性催化能力。
实施例3G4DNA/MOFs复合材料不同催化循环的活性、以及浸泡在不同溶液中活性恢复
检测本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料(G4DNA@ZIF-90)在水溶液中的催化活性恢复能力:如图4a所示为G4DNA/MOFs复合材料循环催化连苯三酚的相对活性比较图(I代表第一次催化循环;II代表第二次催化循环;III代表第三次催化循环);经过三次催化循环,G4DNA@ZIF-90的催化活性降至初始活性的约20%。将活性降低后的G4DNA@ZIF-90颗粒浸入到88℃的Tris-HCl缓冲溶液中,冷却后再将固体依次浸泡到K+和Hemin缓冲溶液中,该活性恢复步骤与G4DNA的合成过程相同。处理后,G4DNA@ZIF-90恢复了93%的催化活性,结果如图4b所示(催化活性实验过程同实施例2)。
在对照实验中,当颗粒仅浸入K+溶液而没有Hemin时,本发明观察到了相同的现象,结果如图4b所示。相反,当将颗粒浸入Hemin中时不能恢复催化活性,这表明K+在G4DNA的恢复活性中的重要作用。同时,本发明未发现在催化循环中上清液中存在Hemin(数据未显示),这很可能是由于其分子尺寸较大,因此很难从MOF晶体中泄漏出来。这也证明了本发明制备的G4DNA@ZIF-90的原位合成能力,结果如图4所示。
实施例4G4DNA/MOFs复合材料与G4DNA在不同温度下的催化活性
检测本发明中MOFs复合材料对G4DNA二级结构的维持和保护能力:在水溶液中的催化活性恢复能力:如图5所示,本发明将本发明制备的G4DNA@ZIF-90和G4DNA浸入在不同温度下水中一个小时,并记录了催化活性的变化(催化活性实验过程同实施例2)。图5a为G4DNA/MOFs复合材料在不同温度时相对活性的变化,图5b为G4DNA在不同温度时相对活性的变化。当温度高于40℃时,G4DNA的催化活性急剧下降,而当温度升高至100℃时,其催化活性下降了约95%。另一方面,本发明制备的G4DNA@ZIF-90在100℃时的催化活性比40℃降低了约46%,结果如图5所示。
实施例5G4DNA/MOFs复合材料(G4DNA@ZIF-90)和纯G4DNA与核酸外切酶|共置1小时后的活性比较图
检测本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料(G4DNA@ZIF-90)在其材料孔径(约5埃米)的环境中存在尺寸屏蔽效应:将合成后的G4DNA@ZIF-90与3U/μL的核酸外切酶I在37℃孵育2h。随后,通过离心(12,000rpm)收集产物,用过量的Tris-HCl缓冲液洗涤,然后使用实施例2的方法测量残留的酶活性。在均相缓冲溶液中使用相同量的游离G4DNA作为对照,由于核酸外切酶I的尺寸远大于ZIF-90的孔径,因此不能扩散进MOF使G4DNA失活,结果如图6所示,G4DNA@ZIF-90与核酸外切酶I共孵育1小时后保持了94%的催化活性,而G4DNA与核酸外切酶I共孵育1小时后的活性仅剩12%。
实施例6G4DNA/MOFs复合材料(G4DNA@ZIF-90)在不同尺寸有机溶剂中的尺寸选择性催化活性
检测本发明实施例1制备的G4DNA/MOFs复合材料(G4DNA@ZIF-90)在不同尺寸有机溶剂中的尺寸选择性催化活性:
将4mg G4DNA@ZIF-90和等量的G4DNA浸入不同的有机溶剂中1小时,然后加入0.3mM 3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)的1mL有机溶剂中,最后加入H2O2(0.03mM)以引发反应,。反应15分钟后,通过离心除去固体,并将200μL 1.2M HCl加入上清液中以终止反应,得到亮黄色溶液。在450nm处记录吸光度,比较吸光度值以比较活性大小。由于MOF的尺寸选择性掩蔽作用,当溶剂分子的长度或宽度大于孔径时,保留了超过80%的G4DNA活性。而对于小的溶剂分子,维持的活性仅为
Figure BDA0002310877490000081
相反,G4DNA在所有有机溶剂中仅保留了约20%的活性,结果如图7所示。
实施例7
比较本发明实施例1制备的G4DNA@ZIF-90和HRP@ZIF-90(制备HRP@ZIF-90的过程与G4DNA@ZIF-90相同)在不同有机溶剂中的催化性能。在有机溶剂中,本发明制备的G4DNA@ZIF-90具有比HRP@ZIF-90更好的耐受性。尽管由于有机溶剂引起的DNA沉淀和/或DNA结构变化,本发明制备的G4DNA@ZIF-90恢复活性的效果不如水相,但与HRP@ZIF-90相比,MOF的包裹无疑增加了G4DNA的稳定性和可重复使用性,结果如图8所示,在不同有机溶剂的三次循环催化中,G4DNA@ZIF-90相比HRP@ZIF-90都具有更好的催化活性,且在三次循环后G4DNA@ZIF-90能恢复约20%-60%的催化活性,而目前天然酶HRP没有可恢复活性这一性质。
如上所述仅为本发明的几个具体实施例,并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内,采用与其相同或相似方法所得到的G4DNA/MOFs复合材料用于有机相催化,均在本发明保护范围内。

Claims (13)

1.一种DNA杂合催化剂/MOFs复合材料的制备方法,其特征在于,该方法的具体步骤为:
(1)合成DNA杂合催化剂G4DNA:
在缓冲溶液中,将富含鸟嘌呤G的单链DNA、钾盐、氯化血红素Hemin混合,得到所述DNA杂合催化剂G4DNA;
(2)合成DNA杂合催化剂/MOFs复合材料:
在水溶液中,加入步骤(1)得到的G4DNA、咪唑-2-甲醛、锌盐,混合,得到所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤具体如下:
(1)将富含鸟嘌呤G的单链DNA的缓冲液先与钾盐的缓冲液混合,进行第一次静置,然后与氯化血红素Hemin的缓冲液混合,然后进行第二次静置,得到所述DNA杂合催化剂G4DNA;
(2)将步骤(1)得到的G4DNA与咪唑-2-甲醛的水溶液混合,然后加入锌盐的水溶液,搅拌、离心,得到所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料。
3.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述富含鸟嘌呤G的单链DNA可用不同种类仿HRP活性的富含鸟嘌呤G的单链DNA替代,所述仿HRP活性的富含鸟嘌呤G的单链DNA为ARGO-1000、HT-DNA、PS2.M、PS5.M、T30695中的一种或多种;和/或,所述钾盐包括氯化钾、硫酸钾、硝酸钾中的一种或多种;和/或,所述缓冲溶液为Tris-HCl缓冲液、TE缓冲液、HEPES缓冲液等中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述富含鸟嘌呤G的单链DNA、氯化血红素Hemin、钾盐在缓冲溶液中的浓度比为(0.5-1.5):(0.5-1.5):(100-400)。
5.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述富含鸟嘌呤G的单链DNA的缓冲液、氯化血红素Hemin的缓冲液、钾盐的缓冲液的体积比为1:1:1;混合前,所述富含鸟嘌呤G的单链DNA的浓度为50-150μM;混合前,所述氯化血红素的浓度为50-150μM;混合前,所述氯化钾溶液的浓度为0.01-0.04M。
6.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述混合的温度为15-35℃;和/或,所述第一次静置、第二次静置的温度均为15-35℃;和/或,所述第一次静置、第二次静置的时间均为1-3小时。
7.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述咪唑-2-甲醛可被2-甲基咪唑代替,则可以合成ZIF-8系列MOFs材料,对G4DNA有同样的包裹效果;和/或,所述锌盐包括硝酸锌、硫酸锌、氯化锌中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述G4DNA、咪唑-2-甲醛和硝酸锌在水溶液中的浓度比为(360-720):36000000:832。
9.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述G4DNA、咪唑-2-甲醛的水溶液和硝酸锌的水溶液的体积比为3:18:2;混合前,所述G4DNA的浓度为20-40μM;混合前,所述咪唑-2-甲醛的水溶液的浓度为200mM;混合前,所述硝酸锌的水溶液的浓度为416mM。
10.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述搅拌的条件为:在500rpm搅拌10分钟;和/或,所述离心的转速为14000rpm。
11.如权利要求1-10之任一项所述方法制备得到的DNA杂合催化剂/MOFs复合材料。
12.如权利要求11所述的DNA杂合催化剂/MOFs复合材料,其特征在于,所述DNA杂合催化剂/MOFs复合材料为粒径1微米的菱形十二面体颗粒。
13.如权利要求11或12所述的DNA杂合催化剂/MOFs复合材料在有机相催化中的应用。
CN201911258157.3A 2019-12-10 2019-12-10 DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用 Pending CN111111782A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911258157.3A CN111111782A (zh) 2019-12-10 2019-12-10 DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911258157.3A CN111111782A (zh) 2019-12-10 2019-12-10 DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111111782A true CN111111782A (zh) 2020-05-08

Family

ID=70498039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911258157.3A Pending CN111111782A (zh) 2019-12-10 2019-12-10 DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111111782A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113210020A (zh) * 2021-05-14 2021-08-06 江南大学 催化甘油酯交换制备碳酸甘油酯的催化剂及其制备方法
CN113252758A (zh) * 2021-04-08 2021-08-13 陕西省石油化工研究设计院 非标记电化学检测铅离子的方法
CN114717227A (zh) * 2022-04-20 2022-07-08 南方科技大学 核酸的封装及去封装方法和核酸存储微流控芯片
CN118465254A (zh) * 2024-05-14 2024-08-09 江南大学 基于适体、酶和mof杂化的沙拉沙星刺激响应水凝胶比色传感器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201710499A (zh) * 2015-09-14 2017-03-16 國立中央大學 分子載體及其製備方法
CN110186892A (zh) * 2019-06-26 2019-08-30 苏州健雄职业技术学院 一种基于双酶偶联的谷氨酰胺检测方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201710499A (zh) * 2015-09-14 2017-03-16 國立中央大學 分子載體及其製備方法
CN110186892A (zh) * 2019-06-26 2019-08-30 苏州健雄职业技术学院 一种基于双酶偶联的谷氨酰胺检测方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113252758A (zh) * 2021-04-08 2021-08-13 陕西省石油化工研究设计院 非标记电化学检测铅离子的方法
CN113252758B (zh) * 2021-04-08 2023-09-05 陕西省石油化工研究设计院 非标记电化学检测铅离子的方法
CN113210020A (zh) * 2021-05-14 2021-08-06 江南大学 催化甘油酯交换制备碳酸甘油酯的催化剂及其制备方法
CN114717227A (zh) * 2022-04-20 2022-07-08 南方科技大学 核酸的封装及去封装方法和核酸存储微流控芯片
CN118465254A (zh) * 2024-05-14 2024-08-09 江南大学 基于适体、酶和mof杂化的沙拉沙星刺激响应水凝胶比色传感器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111111782A (zh) DNA杂合催化剂/MOFs复合材料及其制备和应用
Cheng et al. Hierarchical micro‐and mesoporous Zn‐based metal–organic frameworks templated by hydrogels: their use for enzyme immobilization and catalysis of Knoevenagel reaction
Wang et al. Immobilization of cellulase on polyamidoamine dendrimer-grafted silica
CN113980926B (zh) 磁性纳米粒-糖基转移酶-无定型金属有机框架复合催化材料及其制备方法和应用
Yang et al. Comparative study of properties of immobilized lipase onto glutaraldehyde-activated amino-silica gel via different methods
CN103343117B (zh) 一种固定化头孢菌素c酰化酶的制备方法
Wang et al. Comparison of the properties of lipase immobilized onto mesoporous resins by different methods
CN102559648B (zh) 一种以改性的环氧基树脂为载体的固定化酶及其制备方法和应用
Zhao et al. Preparation and characterization of a novel 3D polymer support for the immobilization of cyclodextrin glucanotransferase and efficient biocatalytic synthesis of α-arbutin
Manzo et al. Chemical improvement of chitosan-modified beads for the immobilization of Enterococcus faecium DBFIQ E36 l-arabinose isomerase through multipoint covalent attachment approach
Liu et al. Single-Crystalline Ordered Nanoporous Metal–Organic Frameworks for Lipase Immobilization and Structured Lipid Production
JP2025500687A (ja) 固定化酵素及び連続生産におけるその使用
WO1981000113A1 (en) Immobilized catalysts having their origin in higher plants
CN107236779B (zh) 一种真菌催化甾体生物转化的方法
Cao et al. The preparation and enzyme immobilization of hydrophobic polysiloxane supports
CN104031903B (zh) 改性聚丙烯腈树脂柔性固定化木瓜蛋白酶的方法
CN103937773B (zh) 一种酶固定化蜂窝状膜的制备方法
CN114160126B (zh) 钯-炭催化剂及其制备方法和应用
WO2024066402A1 (zh) 酶固定化载体及其制备方法、固定化酶及其制备方法和应用
CN114426958A (zh) 糖基转移酶-双金属有机框架复合催化材料及其制备方法和在二糖和多糖合成中的应用
JP6168275B2 (ja) 炭酸カルシウム・マイクロカプセル固定化リパーゼ
KR101644939B1 (ko) 효소의 고정화 방법 및 이에 의한 고정화 효소
CN107365759A (zh) 一种高稳定多级孔Zr‑MOF固定化酶反应器及其应用
CN105087707A (zh) 一种利用脂肪酶催化合成二氢杨梅素单酯化物的方法
CN106565861A (zh) 改性环糊精的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200508