氨基酸生物金屬有機框架的構建及在生物領域的應用*

侯夢楠，王柏文，張姬晴，劉圣楠，張茂芳，楊樹凱，崔培培

(德州學院 生命科學學院，山東 德州 253023)

1995年，Yaghi等首次提出金屬有機框架(Metal-Organic Framework，簡稱MOF)概念，自此金屬有機框架作為一種新型多孔材料得到了廣泛深入的研究[1-3]。隨著MOF與生命科學之間的交叉融合、相互滲透，人們不僅限于關注MOF的結構、追求大的比表面積和孔容量，而且更關注MOF與生物分子的相互作用，從活性位點、主客體作用等多個方面研究MOF與生物體相互作用的分子機制、熱力學和動力學平衡等，從而產生新的研究方向。生物金屬有機框架(Biological Metal-Organic Framework，簡稱BioMOF)應運而生。

BioMOF通常是指基于生物分子構筑的金屬有機框架。從結構上分析，自然界中絕大多數生物分子均含有O或N等可以與金屬離子配位的配位原子，理論上可以與金屬離子形成配合物。金屬離子的豐富性以及配位方式的多樣性賦予了這種新型材料優異的物理性質和化學性質，在生物載藥、藥物緩釋、熒光檢測、分子探針等領域有著極大的應用前景[4-6]。目前，構筑BioMOF的生物分子主要有：氨基酸、核堿基、多肽、蛋白質等。本論文主要對以氨基酸為配體構筑的BioMOF進行綜述，主要從配位模式及生物應用兩個方面進行論述。

1 氨基酸

氨基酸是構成蛋白質的基本單位，賦予蛋白質特定的分子結構形態，使其具有生化活性。氨基酸分子結構中同時含有氨基(—NH2)和羧基(—COOH)，并且氨基和羧基都直接連接在同一個—CH—結構上，可以與金屬離子配位形成BioMOF。以簡單的氨基酸為例，金屬離子可以與氨基部分的N以及羧基部分的O分別或同時配位(圖1)。羧基部分負電荷密度較大，與金屬離子的配位能力較強，能夠提供多樣的配位模式。此外，羧基部分還可以與金屬離子形成金屬羧酸鹽簇或橋梁結構，增加主體結構的穩定性和剛性。尤為重要的是，氨基和羧基還可以被當作氫鍵受體或氫鍵給體，為主客體結構構建的研究提供可能。

圖1 氨基酸與金屬離子潛在的配位模式

選用氨基酸為配體的優點還有很多，比如：①該類配體既具有羧酸配體與金屬離子配位能力強的優點，又具有含N配體抑菌性強的潛力。②氨基酸作配體本身就具有很多生物活性，不僅參與人體的代謝，而且在醫學上可用于治療肝臟疾病、消化道疾病、心血管病、呼吸道疾病等；在農業上也可對作物的生長發育起到促進作用，配合物合成后有利于生物活性相關性質的拓展。③氨基酸種類多，簡單易得，如天冬氨酸，賴氨酸，丙氨酸等；價格便宜，方便購買，也節約了合成配體的時間。④氨基酸是生物酶、蛋白質的結構組成單元，是一種無毒、無污染的生物配體，與稀土離子結合形成多樣化狀態的稀土氨基酸配合物[7-10]。

氨基酸及其衍生物在自然界中存在較多，經蛋白質水解后得到的氨基酸即α-氨基酸就有22種，如甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等，均可作為配體[11]。統計發現，就基本天然氨基酸而言，可與金屬離子通過配位相互作用形成生物配位聚合物的有：丙氨酸(Ala)、絲氨酸(Ser)、半胱氨酸(Cys)、谷氨酸(Glu)、組氨酸(His)、甘氨酸(Gly)、酪氨酸(Tyr)等等。

1.1 丙氨酸

制備同手性MOF的最佳方法是選擇手性配體作為主要連接體。Yang等[12]選用D-丙氨酸和L-丙氨酸作為連接體，與Ni2+離子一起合成了相同拓撲MOF。配體丙氨酸是對映體，產生的MOF為對映異構，一個Ni2+離子中心與4個D/L-丙氨酸分子連接，配位數為6，是以Ni2+離子為中心的[NiO4N2]八面體結構(圖2)。其中，兩個丙氨酸的羧基和氨基分別提供氧和氮原子與Ni2+離子形成一個平面，軸向位置的兩個氧原子是由丙氨酸羧基提供。相鄰的Ni2+離子中心通過丙氨酸配體的相互連接能夠形成二維的丙氨酸-MOF網絡。2019年，澳大利亞莫納什大學王煥庭教授課題組[13]報道了一種用于高效手性分離的新型手性MOF聚合物混合基質膜。因此，這種手性MOF可以在手性分子傳感和分離中找到應用。

對稱性代碼：(a)-x+2，y，-z+1；(b)-z+1/2，-x+3/2，-y+3/2；(c)-z+3/2，-x+3/2，y-1/2圖2 Ni2+離子周圍丙氨酸配體的配位模式

1.2 絲氨酸

絲氨酸是同時含有—OH、—COOH和—NH2基團的特殊分子，是典型的極性氨基酸之一。Tan等[14]以Zn(NO3)26H2O、L-絲氨酸、對苯二甲酸(H2bdc)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為原料，在 120 ℃ 下合成了Zn4(L-Ser)2(bdc)6DMF。Zn2+離子采取5配位，具有扭曲的三角雙金字塔幾何結構。一個Zn2+離子分別與來自三個絲氨酸的羥基和羧基氧原子以及其中一個氨基氮原子結合，對苯二甲酸中的羧基氧原子也參與配位(圖3)。目前，對基于絲氨酸的多孔三維MOF材料的探索甚少，市場上現有的對映純絲氨酸構建的MOF在對映選擇性催化和分離等同手性應用方面具有突出的優點。根據絲氨酸具有的極性基團，其參與構成的MOF材料可能為CO2捕獲和選擇性分離開辟新的途徑。

對稱性代碼：(a)x，y，z+1圖3 Zn2+離子周圍色氨酸配體的配位模式

1.3 半胱氨酸

半胱氨酸的兩種對映體都用作螯合配體并形成金屬配合物[15]。Ferrer等[16]將L-半胱氨酸(簡稱CYS)、ZnCO3的混合物在沸水中連續磁力攪拌，通過蒸發過飽和溶液制得Zn(CYS)2。Zn(CYS)2晶體結構的不對稱單元以二硫化物鍵為中心，其鏈與兩個鋅離子相連。Zn2+離子采取6配位，八面體構型，與4個半胱氨酸結合，氨基的氮原子和羧基的一個氧原子與鋅離子結合，另外一個氧原子由第二個氨基酸的羧基提供(圖4)。胱氨酸的兩半作為一個雙齒配體與一個Zn2+離子配位，并作為一個單齒配體與另一個Zn2+離子結合。與氨基酸配體和金屬離子之間形成的鍵相比，兩個相鄰氨基酸配體之間形成的鍵則是傾向于提高MOF的穩定性，且兩個相鄰L-半胱氨酸分子之間還具有二硫鍵(S—S)，這使Zn(CYS)2具有更好的穩定性。這種MOF可以作為金屬蛋白活性位點的模型，具有多種活性，如催化功能等。

對稱性代碼:(a)-x+2,y-1/2,-z+3/2;(b)x-1/2,-y+3/2,-z+1;(c)-x+3/2,-y+2,z-1/2圖4 Zn2+離子周圍半胱氨酸配體的配位模式

1.4 谷氨酸

谷氨酸因自身特有的官能團，能夠為構建單元提供兩個羧基和手性配位模式；谷氨酸也被作為一種多齒配體用于組裝類似沸石的3D網絡，且金屬-谷氨酸復合物可用作研究金屬-蛋白質相互作用的簡單模型。Zhang等[17]以L-Glu、Co(ClO4)2·6H2O為原料在 60 ℃ 下合成[Co(L-Glu)(H2)·H2O]n，Co2+離子中心周圍的幾何結構是偽八面體，向三角棱柱形扭曲。Co2+離子采取6配位，與4個羧酸氧原子，一個氨基氮原子和一個水分子配位，它們屬于三種不同的谷氨酸配體(圖5)。谷氨酸可以通過氨基的氮原子和羧基的氧原子與Co2+離子形成偽矩形盒型結構，這些盒子沿著a軸和b軸通過順反協調相互連接，形成波紋層，將單元連接成一個復雜但高度對稱的三維陣列，這能夠增強MOF的手性，也證明了其能形成強手性超分子聚集體的能力。

圖5 Co2+離子周圍谷氨酸配體的配位模式

1.5 組氨酸

L-組氨酸的咪唑基是一個很強的親核基團，供出或接受質子的速度十分迅速，與許多金屬離子中心一起形成復合單元[18]；L-組氨酸是低分子量的配體，其帶正電荷的咪唑側鏈能夠促進金屬離子與蛋白質的結合。Ramos等[19]以NiCl2·6H2O、L-組氨酸為原料水熱法得到雙(L-組氨酸)鎳(Ⅱ)一水合物MOF。Ni2+離子的配位數為6，是八面體構型的中心，單個Ni2+離子與兩個L-組氨酸配體結合，L-組氨酸提供兩個氮原子(分別來自咪唑基和氨基)和一個羧基氧原子，其他L-組氨酸遵循相同的配位模式(圖6)。其中，組氨酸中咪唑基團的參與，增強了配體與金屬離子的配位數并穩定了框架結構。該MOF具有手性和對映選擇性，能優先吸附(S)-2-丁醇異構體，可用于手性藥物的分離。

圖6 Ni2+離子周圍L-組氨酸配體的配位模式

1.6 甘氨酸

氮基配體的使用在構建MOF方面變得越來越重要，因為它們在氣體和藥物吸附方面具有更大的潛力。使用氨基酸作為連接分子也是開發此類框架的一種新策略。Sattar等[20]以甘氨酸和氯化銅為原料，水熱法合成出[Cu(C2H4NO2)2(H2O)]n并命名為Bio-MOF-29。在每個不對稱單元中，Cu2+離子與一個水分子和兩個雙齒甘氨酸配體配位。其中一種甘氨酸的氮原子和一個氧原子與Cu2+離子螯合，從而形成穩定的五元環。另一種甘氨酸配體通過氮和氧原子與銅在正方形平面中配位，由于另一種O原子的橋接模式，該配體也起到連接體的作用，從而完成Cu2+離子周圍扭曲的八面體幾何結構(圖7)。Sattar利用鹽酸特拉唑嗪、替米沙坦、格列美脲和瑞舒伐他汀這四種藥物，對Bio-MOF-29進行了體外藥物吸附研究。藥物分子可以吸附在孔中且Bio-MOF-29在水中浸泡幾天后也不會損失框架結晶度。Bio-MOF-29的體外藥物吸附將為體內藥物遞送開辟新的途徑。

1.7 酪氨酸

酪氨酸具有的芳香側鏈基團會使生成的MOF具有穩定性。2012年，Zhou等[21]以L-酪氨酸和鈷為原料，水熱法合成了[Co(L-Tyr)]n，是一種具有三維結構的手性配位聚合物。在結構中有兩個不同的L-Tyr片段以相同的方式協調金屬原子(圖8a)，這兩個片段通過羧酸氧原子、氨基氮原子和μ-苯氧基氧原子配位四個金屬原子，因此每個L-Tyr具有5個配位鍵連接到4個金屬原子，這是迄今為止記錄的最高配位數。Co2+具有兩種配位方式。Co2由兩個羧酸氧原子、兩個μ-苯氧基氧原子以扭曲的四面體幾何配位，氧原子分別來自4個不同的酪氨酸配體；Co1在Co2的基礎上多了兩個氮原子參與配位，因此是扭曲的八面體幾何中心(圖8b)。[Co(L-Tyr)]n還具有很重要的磁性，因為它具有共享的四面體和八面體幾何結構，這促進了鐵磁交換相互作用，從而提高了L-tyrCo MOF的磁性能。

2 氨基酸生物金屬有機框架的生物應用

BioMOF作為MOF的一個分支，表現出與其相似的性質。不僅在氣體吸附、分離、純化和傳感方面具有實際應用，還具有一些有前途的生物應用，如生物載藥、熒光傳感、生物抑菌和手性分離等。

2.1 生物載藥

由于高載藥能力和優異的生物相容性，使BioMOF在生物醫學應用中深受研究。以體外藥物裝載為例，2018年，Sattar等[22]報道了由賴氨酸和錳合成的納米bio-MOF-7，以及由母體納米bio-MOF-7和金屬銅合成的Cu@納米bio-MOF-7復合材料。納米bio-MOF-7對鹽酸曲美他嗪的體外藥物吸附高達 0.073 g/g，且從材料中釋放的時間可以達到 3 d；Cu@納米bio-MOF-7復合材料的吸附量高達 0.195 g/g，藥物的釋放長達 5 d，且復合材料的性能優于母體納米bio-MOF-7。雖然BioMOF在藥物遞送方面表現出優異的性能[23-24]，但藥物裝載效率仍然不高。為了促進藥物的滲透吸收，有效地提高藥物的生物利用度和藥物裝載效率，對藥物和BioMOF之間的相互作用機制是下一步需要研究的方向。

2.2 熒光傳感

近年來，具有特定功能的BioMOF由于其多樣的結構而顯示出廣泛的發光性能，又兼有結合位點多、低毒，以及生物相容性好等特點，引起了對生物傳感器的極大興趣。葛亞芳等[25]通過利用L-苯丙氨酸和L-丙氨酸修飾的手性芳香多羧酸有機配體合成的過渡金屬配合物都具有強的熒光發射，且溶劑DMF、DMA、丙酮以及金屬離子Fe3+離子對鎘配合物的熒光有很強的猝滅效應，使該配合物在對DMF、DMA、丙酮和金屬離子Fe3+離子實施熒光檢測方面具有應用價值。葉繁衍等[26]以絲氨酸為有機配體和過渡金屬Cu2+離子合成的新型BioMOF具有能夠吸附核酸和淬滅熒光的性質，并利用Ser-Cu BioMOF納米材料與熒光適配體構建了一種新型納米適配體傳感器，用于檢測白菜中農藥殘留。該方法對水胺硫磷在0～0.8 μg/mL 范圍內表現出良好的線性關系，且檢測限為 82 ng/mL，這使納米適配體傳感器在食品安全檢測中具有較強的實用性。由于BioMOF材料為新型材料，在各方面的應用還較少，為了更好的發揮BioMOF材料的價值，在未來應多開展基于生物熒光傳感器的研究。

2.3 生物抑菌

隨著當下疾病的蔓延，耐抗生素微生物的數量不斷增加，開發具有高效抗菌特性的產品已勢在必行。Aarthi等[27]以L-苯丙氨酸為添加劑，得到的亞穩態α和β晶體的L-谷氨酸多晶型晶體對分離的革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有顯著的抗菌活性。Emam等[28]合成的Cu-BTC MOF對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌表現出良好的生物活性，且Cu-BTC MOF的生長導致生物殺滅合成織物的生產且沒有任何生態毒性影響。Wojciechowska等[29]以L-精氨酸和4，4′-聯吡啶為配體合成的新型Cu BioMOF對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌菌株表現出很強的抗微生物活性，且Cu BioMOF比標準抗菌劑4，4′-聯吡啶表現出更好的活性。導致這種現象的原因極有可能與分子配位復合物的生物活性有關，配位離子增加了化合物的親脂性，增強了滲透微生物細胞膜的能力，這些特征也被認為是它們比母體配體活性高的原因。到目前為止，BioMOF的抑菌機制仍需深入研究并闡明。此外，如何進一步提高環境友好型BioMOF材料的抗菌活性是未來抑菌材料研究的努力方向。

2.4 手性分離

手性對映體的分離在醫藥和生命科學中有著重要的作用，但由于對映體具有相同的物理和化學性質，使其分離具有極大挑戰。手性MOF具有各種手性連接體，可以更好地與手性分子相互作用，從而在對映體選擇性吸附和分離方面具有很好的潛力[30]。Martí-Gastaldo等[31]制備了一種基于三肽(Gly-L-His-Gly)的手性三維銅基MOF材料—Cu(GHG)，該框架的一維貫穿孔道中包含羧基、酰胺基、氨基和咪唑基，并且孔徑尺寸大于 2 nm，能夠允許客體分子擴散進入手性孔道。(-)-麻黃堿可與骨架中甘氨酸形成弱的氫鍵作用，(+)-麻黃堿可與骨架中組氨酸形成強的氫鍵作用，同時(±)-麻黃堿都與甘氨酸中氨基和羧基有一定作用，由此實現了對(+)-麻黃堿的優先吸附。王煥庭課題組[13]將氨基酸(L-His或L-Glu)通過共價修飾引入到MIL-53-NH2骨架上合成了兩種手性MOF混合基質膜材料—MIL-53-NH-L-Glu和MIL-53-NH-L-His。將MIL-53-NH-L-His、MIL-53-NH-L-Glu與聚醚砜PES混合，并通過對混合基質膜的MOF負載量的調控，實現了對外消旋體1-苯基乙醇的高效手性拆分效果。

3 總結與展望

綜上可知，根據特定氨基酸的配位性質選擇合適的金屬離子，可以較容易地獲得特定應用所需的BioMOF。同時，多齒氨基酸配體可以增加MOF網絡的維度。通過使用氨基酸作為配體來獲得環境友好型BioMOF，也可與其他配體一起使用，以提高穩定性并加強結構。BioMOF作為MOF家族之一的重要成員，基于其特殊的結構和功能，在生物應用中已擴展到生物醫學、生物傳感器、抗菌應用等多個方面。然而，在未來應用研究中還有一些問題需要解決，如提高BioMOF的穩定性(熱穩定性、化學穩定性和水穩定性)，制備更多納米尺寸的BioMOF，結合BioMOF來合成多功能材料，等等。相信通過生物化學、生物醫藥、化學等學科的交叉合作，進一步擴大對BioMOF的研究，有望使BioMOF在生物學領域中得到更廣闊的應用。