| 摘要: | 近幾十年來，溫室二氧化碳 (CO2) 已經對全球暖化和氣候變遷產生了極為重大的影響。為了延緩氣候變遷，以及實踐永續發展的目標，如何處理過量的二氧化碳已然成為當務之急要解決的問題。對於不斷增加的碳排放問題，一種透過酶催化將大氣中過量的二氧化碳轉化為高附加價值之化學品是一條符合綠色化學的減碳途徑。自然界中的酶以其高效催化能力以及專一性而受到重視，因此二氧化碳固定化的應用中，酶更是具有無可取代的地位。然而，酶在惡劣的條件下往往會因為其不穩定性而無法展現價值所在，並且反應後，如何分離和重複利用的困難度高，更限制了酶的實際應用性。因此，如何幫助酶提升穩定性和實用性的酵素固定化這個概念就顯得格外重要且具有潛力，其中將酶固定在固體載體上就是一個最典型的方法。
金屬有機骨架材料 (MOFs) 作為新興的多孔材料，能夠形成穩定的微環境來提供生物酶進行催化，因為其空間侷限性能有效避免酶失活，因此非常適合作為酵素固定化的載體。此外，MOFs具有高孔隙率、可調控的孔徑以及低熱容量等優異的特性，使它們在碳捕捉和儲存 (CCS) 應用中特別有前景。在眾多的MOFs材料當中，MOF-74系列因其六角通道中沿C軸上排列著高密度的路易斯酸性開放金屬位點，造就了其卓越的二氧化碳吸附能力。
本實驗室於2015年利用酵素固定化的概念，首次開發了原位創新合成法，成功在室溫和水相的環境中，將過氧化氫酶 (CAT) 封裝於類沸石咪唑骨架材料 (ZIF-90) 中，藉由金屬有機骨架材料的孔洞性，允許受質進入材料催化的同時又可以防止大分子蛋白質水解酶的作用。在2021年，本實驗室進一步於室溫下使用溫和水相合成系統在十分鐘內快速獲得Zn-MOF-74並封包酵素，大幅提升酵素固定化後之活性。本篇論文在生物友善的水相環境下將甲酸脫氫酶 (FDH) 原位封裝進Zn-MOF-74當中，利用Zn-MOF-74優異的二氧化碳氣體吸附效果，使CO2能夠預濃縮在材料附近，又因為其一維且14 Å大孔洞的結構通道，有效地降低輔酶煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 和二氧化碳的擴散阻礙，進而提升甲酸脫氫酶還原二氧化碳的能力，並顯示出Zn-MOF-74在酵素催化二氧化碳轉換的應用價值，為對抗全球暖化開闢一個新的解決方案。;In recent decades, CO2 emissions have significantly contributed to global warming, necessitating urgent action for sustainable development. Enzymatic conversion of atmospheric CO2 into valuable chemicals offers an eco-friendly solution, though natural enzymes face challenges in harsh conditions and reusability. Enzyme immobilization on solid carriers is crucial, enhancing stability and practicality in combating carbon emissions for sustainable development. Metal-organic framework materials (MOFs) provide stable microenvironments for improved enzymatic catalysis, preventing enzyme deactivation and enabling immobilization. MOFs, with their high porosity, tunable pore size, and low heat capacity, hold promise for carbon capture and storage (CCS). Among MOFs, the MOF-74 series stands out due to its hexagonal channels and abundant Lewis acidic metal sites, enhancing CO2 adsorption capacity.
In 2015, our lab developed an innovative in-situ method for enzyme immobilization, encapsulating catalase (CAT) in zeolitic imidazole framework materials (ZIF-90) at room temperature in water. Metal-organic framework materials provided porous structures, allowing substrate access to the catalytic site while protecting against large-molecule protein hydrolases. In 2021, we achieved rapid synthesis of Zn-MOF-74 in a mild aqueous system in ten minutes, improving enzyme activity post-immobilization due to larger pores and reduced spatial constraints. These advancements hold promise for various applications in biocatalysis and materials science.
This study demonstrates formate dehydrogenase (FDH) encapsulation within Zn-MOF-74 in a biocompatible aqueous environment. Zn-MOF-74′s strong gas adsorption capacity aids CO2 pre-concentration, while its one-dimensional large pores reduce diffusion barriers for coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and CO2. This enhances FDH′s ability to catalyze CO2 reduction, marking Zn-MOF-74 as a promising candidate for enzyme-driven CO2 conversion and a novel approach to address global warming. |
