氧化还原活性金属有机框架材料合成以及类酶催化

最近，南京大学化学化工学院左景林教授、丁梦宁教授、马晶教授等合作，成功制备了含类酶活性中心金属二硫烯构筑基元的新型金属有机框架材料，并对其电催化CO₂还原性能开展了研究。

近年来，由于化石燃料的广泛使用，全球CO₂排放量逐渐增加，这是全球气候变暖的主要原因。将CO₂转化成能源物质或者是其它化学品，是目前解决这一问题的主要策略之一。其中，电催化CO₂还原反应（CO₂RR）是将CO₂转化成可利用能源物质的有效途径。优异的CO₂RR催化剂一般具有以下特征：具有活性催化位点，高选择性，高效电子转移速率等。金属有机框架材料(MOFs)具有可调节的孔径尺寸和功能化的金属位点，赋予其良好的CO₂气体吸附能力和高效的催化中心，成为电催化CO₂还原反应的理想催化材料。

化学化工学院相关团队在前期新型电荷转移金属配合物研究中取得了一系列重要进展，如利用四硫富瓦烯四苯羧酸配体（H₄TTFTB，图1）与In³⁺成功合成了稳定性高、氧化还原活性的金属有机框架材料（Nat. Commun., 2017, 8, 2008; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 18763）。最近，他们将相关研究拓展到具有类酶活性中心的金属二硫烯构筑基元上。金属镍二硫烯四苯羧酸配体（[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]）与四硫富瓦烯四苯羧酸（H₄TTFTB）结构和性能相似（图1），引入的金属Ni离子取代C=C单元后具有不饱和配位点和新的氧化还原活性金属中心，从而可能赋予材料更加丰富的物理、化学功能。例如，过渡金属Mn配位多孔材料具有良好的电化学葡萄糖识别性能（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 20313）。 

图1 [Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]和H₄TTFTB的结构图

基于以上研究基础，他们进一步采用氧化还原活性镍的二硫烯配体[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]与金属铟离子反应，制备了具有阴离子骨架的新型MOF结构（图2），(Me₂NH₂⁺){In^III-[Ni(C₂S₂(C₆H₄COO)₂)₂]}·3DMF·1.5H₂O (1)。

图2 MOF 1的结构中含有三种不同的孔道，分别为I（被客体分子占据）、II和III

这类材料具有良好的化学稳定性、热稳定性和导电性，为进一步电催化应用打下了良好的基础。此外，MOFs材料保留了[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]基元可逆的氧化还原活性以及不饱和配位点等优势，其[NiS₄]位点可以有效模拟甲酸脱氢酶和CO-脱氢酶中的二氧化碳还原中心。我们选取同构的MOFs材料1和(Me₂NH₂⁺)[In^III-(TTFTB)]·0.7C₂H₅OH·DMF (2)，对它们电化学CO₂RR性能进行研究。在研究中，他们发现MOF 1作为CO₂RR催化剂不仅能选择性地将CO₂还原为甲酸且大幅提高法拉第效率（FE_HCOO-从MOF 2的54.7%提高至89.2%），同时还具有较宽的电压窗口和长时间稳定性。进一步催化机理研究和密度泛函理论计算结果表明，[Ni(C₂S₂(C₆H₄COOH)₂)₂]基元中的不饱和金属配位点[NiS₄]，能够作为CO₂的结合位点和催化位点，赋予1更高的电荷转移速率、更大的电化学活性面积以及更高的催化活性。这充分说明，镍的二硫烯配体中[NiS₄]金属不饱和配位点的引入，可以通过类酶途径有效调控该类材料的电催化活性，为以后设计合成高效稳定的类酶电催化剂提供了新的思路。

图3 MOFs 1和2电催化CO₂还原性能比较

相关成果以“In(III) Metal−Organic Framework Incorporated with Enzyme- Mimicking Nickel Bis(dithiolene) Ligand for Highly Selective CO₂ Electroreduction”为题，于2021年8月27日在J. Am. Chem. Soc.上在线发表（DOI: 10.1021/jacs.1c06797）。周艳博士和博士生刘盛堂为该论文共同第一作者，博士生顾玉明和温哥华分别在理论计算以及气体吸附测试实验中提供了大力帮助。以上研究工作得到了配位化学国家重点实验室、介观化学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持或资助。

使用MspA纳米孔监测蛋白质构象转换

蛋白质在参与机体的生理过程中常伴随着构象的改变。观察蛋白质在溶液环境的构象变化和相互作用有助于理解其运行机制且非常具有挑战性。相比于对体系内总体平均的结果进行分析的集成方法，时间解析的单分子分析技术在研究单个蛋白质的过渡瞬态和复杂的功能机制等方面更具优势。

单通道纳米孔分析技术正在成为无标签实时分析单个蛋白质的有力工具。它微秒级的时间尺度非常适合蛋白质结构变化的高分辨监测。通过分析单一的蛋白质被捕获后产生的电流封锁及其对应的事件时间即可实时反映蛋白质的活动过程。近年来，一系列生物纳米孔例如溶细胞素A（ClyA），曲霉毒素C（FraC）和胸膜溶素AB（PlyAB）已被证明可用于研究蛋白质的多种结构动力学。这些生物孔道都具有较大容积的空腔可以完全容纳蛋白质分析物，且都经过了一定的工程改造以增加对蛋白质的捕获效率，这对于纳米孔自身的形状和结构稳定性有较高的要求。 

图1. MspA对钙调素变构转换的随机传感示意图

最近，南京大学化学化工学院黄硕团队报道了一种新的检测方案，使用锥形结构的耻垢分枝杆菌膜蛋白A (MspA)作为纳米陷阱在部分容纳待测蛋白的状态下对其结构进行分析。MspA具有易改造和制备，稳定性强能够耐受酸碱环境、高温和高电压的优点，此前已经被成熟地应用于DNA测序、单分子化学分析和纳米孔力谱等方面。该篇工作也是MspA纳米孔首次系统地应用于蛋白质-配体结合以及病理学突变相关的蛋白构象变化的无标记检测，展现出了极佳的灵敏度和分辨率（图1）。 

图2. apo-wtCaM、Ca-wtCaM和M13-Ca-wtCaM捕获的单分子特征

该工作选择钙调素（CaM）作为该策略的研究对象，对其三种构象异构体进行了全面的实验表征研究（图2），证明了MspA纳米陷阱能够直接区分钙调素的构象变化。同时，作者也进行了单个氨基酸病理突变型的结构研究（图3），首次从单分子尺度发现致病突变D129G引发钙调素功能变化是由部分结构域失去了结合钙离子的能力，引起的结构失调所导致的。

图3. 病理学突变型CaM-D129G捕获的单分子特征

作者还评估了不同离子(Mg²⁺/Ca²⁺/Sr²⁺/Ba²⁺/Pb²⁺)对钙调素功能的竞争关系，通过实时监测离子结合产生的不同别构状态之间的比例进行了系统的单分子研究，获得了结合能力的排序。值得注意的是，钙调素与金属离子充分结合时具有相同的结构，表现为平均阻孔电流相似，但仍然可用阻塞电流波动差异很好地区分开，证明不同离子结合钙调素后蛋白质结构波动不同，这是本研究中首次报道的一种现象。最后，作者使用MspA实时检测了由Tb³⁺结合引起的钙调蛋白的聚集过程并与Ca²⁺对比，首次捕获到了钙调素和Tb³⁺结合的一个中间态，揭示了Tb³⁺作为Ca²⁺的荧光替代物用于研究钙结合蛋白的局限性。该工作证明了MspA作为传感器对蛋白质结构变化的高度敏感性和巨大潜力，为纳米孔蛋白质分析提供了新选择。

图4. 钙调素在不同二价离子存在下的结构分析

该工作以“Allosteric Switching of Calmodulin in a Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) Nanopore-Trap“为题，于2021年8月27日发表于《德国应用化学》（文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110545，DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202110545 ）。南京大学化学化工学院博士生刘瑶为该论文第一作者，黄硕教授为论文通讯作者，陈洪渊院士对该工作做出了重要指导。此项研究得到了生命分析化学国家重点实验室以及南京大学化学和生物医药创新研究院(ChemBIC)的重要支持。国家自然科学基金（项目编号：31972917, 91753108, 21675083）、江苏省高层次创业创新人才引进计划（个人、团体计划）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20200009）、南京大学生命科学分析化学国家重点实验室(项目编号:5431ZZXM1902)、南京大学科技创新基金资助项目等经费支持。

参考资料

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

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