TW201710499A - 分子載體及其製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種分子載體及其製備方法，該分子載體包括：一金屬有機骨架，其具有一內部空間，且該金屬有機骨架之表面具有複數個孔洞；以及一分子，其係嵌於該金屬有機骨架之該內部空間中。同時提供該分子載體之製備方法，其係將一含有金屬離子鹽類之溶液、一有機配體、一分子、以及一表面包覆劑混合形成一混合物水溶液後，進行乾燥而製得。
Description
本發明提供一種分子載體及其製備方法，特別是，本發明之分子載體中，該分子係嵌於該金屬有機骨架之內部空間中，而非以吸附的方式與該金屬有機骨架結合；同時也提供一種分子載體的製備方法，其係透過時間快速且一步反應的de novo
法快速合成分子載體。
生物反應劑能夠促使許多化學反應的進行，粗估全球酶市場規模約在10億美元左右。根據目前研究，生物反應劑預計可應用的領域包括化學工業、食品工業(飲料生產、肉類保鮮、酶作澱粉)、醫藥產業、石化工業、環保(如汙水處理)等領域中，近年來還有德國的研發團隊發現一種酶可以應用在生物儲氫系統上，可望解決以往燃料電池中氫不易儲存和運輸的缺陷。
但生物催化劑在反應介質中往往不夠穩定，且目前可應用在工業上的酶種類還很少。因此研發出更適合應用在工業中的生物催化劑是現在的主要任務之一。生物催化劑相關研究的其中的一個研究方向是如何提升生物催化劑的穩定性及催化效率，因此有許多研發人員開始研究如何將細胞、微生物或酵素等生物分子更好地固著在固態載體上。
用來固定生物分子的載體，目前被報導的包括微粒(microparticles)、水凝膠(hydrogel)、或是孔洞無機材料(如沸石和分子篩等)。研究發現，若將酶固定在載體上以做為生物催化劑時，不僅可使酶的穩定性提高、催化效率提升，也較容易將價格昂貴的酶回收再利用，從而降低了生產成本。
在先前研究中，這類生物分子可被固著在載體之中，或者固定在載體表面。然而，若設計生物分子使其固著在載體裡面的時候，考量到生物分子需要進入載體中，因此，載體表面孔洞的尺寸需大於生物分子，但如此一來，一但載體與生物分子之間的結合力不佳，就有可能會造成生物分子流失到載體外，使效果不如預期；而若生物分子是以吸附的方式固著在載體表面，因為生物分子露在外面容易受到外界環境的其他因子干擾，導致效果不彰。
除此之外，由於需要經由其他的設計(譬如官能基修飾改質等)方能使生物分子和載體能夠充分地結合，在製備過程中也比較耗時，且如果生物分子，譬如酵素，在固定過程中受到合成環境因素如溫度或酸鹼值影響導致構型改變，反而會使原本的生物活性減損，使得效果更不如預期完美。
近來的研究中，也有人提出以金屬有機骨架(MOF)做為載體的構想。所謂的金屬有機骨架(MOF)係特定材料所構成的高結晶性複合錯合物，通常會形成支架結構，故透過金屬與有機分子之間的配位鍵結和組合，可以製造出具有特定性質的金屬有機骨架(MOF)，其多孔性賦予金屬有機骨架(MOF)更廣泛的應用性，舉例來說，可用在氣體儲存、感應器、吸附、分離或催化等技術中。
但就金屬有機骨架(MOF)而言，譬如蛋白質酵素這類的生物分子屬於尺寸較大的大分子，無法進入金屬有機骨架(MOF)的小孔洞中，因此，先前研究均是先合成金屬有機骨架(MOF)後，再使生物分子透過物理吸附或共價鍵與該金屬有機骨架(MOF)結合。但如同前文所描述的，因為生物分子是以吸附的方式固著在金屬有機骨架(MOF)外面，因此很容易受到外界環境的其他因子干擾，進而導致生物分子的效果不佳甚至失去生物分子原本的效果。更具體地，假如環境中存在有蛋白質分解酵素和可抑制酵素的化學分子，就可能將原本固著在金屬有機骨架(MOF)外面的生物分子降解或抑制使其失去功效。
是以，亟需提供一種能夠克服上述缺陷的新型的分子載體及能夠簡單製作該分子載體的方法，以進一步拓展其應用性。
有鑑於此，本發明提供一種新型的分子載體，其係利用金屬有機骨架(MOF)做為載體用來固定分子，且於本發明之分子載體中，分子係嵌入金屬有機骨架(MOF)中。由於金屬有機骨架(MOF)的孔隙具有各種形狀和尺寸，是沸石和分子篩等其他無機多孔材料所沒有的，因此更適合與各式各樣的生物分子結合。
本發明之分子載體不僅具有可重複利用之優點，且可充分利用金屬有機骨架(MOF)表面孔洞的篩選性質，將具有破壞性的分子，如蛋白質分解酶、抑制劑等，排除在骨架之外，使得骨架內的生物分子可以完全發揮其效果而不受破壞性分子干擾，更能避免因生物分子的尺寸小於骨架之孔洞而從骨架中流失的現象發生。
具體而言，本發明提供的分子載體包括：一金屬有機骨架，其具有一內部空間，且該金屬有機骨架之表面具有複數個孔洞；以及一分子，其係嵌於該金屬有機骨架之該內部空間中。於本發明中，該分子係直接嵌入該金屬有機骨架之該內部空間中、直接地與該金屬有機骨架結合，使該分子完全地容納在該金屬有機骨架之內部空間中。
上述金屬有機骨架之表面之該孔洞之孔徑可介於 1 Å至 2 nm，較佳為2 Å至1nm之間，然不以此為限。該分子載體之較佳孔徑大小可依實際需求加以選擇，譬如，於本發明一實施例中，因為其中的分子係為過氧化氫酶，故該孔洞之孔徑較佳係為3.5 Å。
特別是，於本發明中，該金屬有機骨架之該孔洞之孔徑係小於該分子之尺寸，以避免分子由孔洞中流失。
此外，本發明中，該金屬有機骨架可為以過渡金屬為基礎之金屬有機骨架，譬如，一鋅基金屬有機骨架、一鈷基金屬有機骨架、一鋯基金屬有機骨架、或一鉻基金屬有機骨架、或其餘過渡金屬元素為基礎的金屬有機骨架材料等，更具體可為ZIF-8、ZIF-67、ZIF-90等，於本發明一具體實施中係使用一鋅基金屬有機骨架，ZIF-90。然而，應了解本發明並不以此為限，本領域具有通常知識者可依據欲包覆的分子尺寸選擇適當的金屬有機骨架搭配。
再者，於本發明中的分子可為一生物分子或一非生物分子，生物分子舉例可為一DNA、一RNA、一蛋白質(如酵素)等；非生物分子譬如小分子藥物、抑制劑等。於本發明之一實施例中，該分子可為一蛋白質酵素，如過氧化氫酶，然而，本發明不僅限於此，該分子亦可為其他酵素，且本發明也可進一步應用來包覆其他酵素之外的分子，譬如當該分子為藥物時，本發明之分子載體可作為緩釋藥物之用途。
本發明同時提供一種簡便省時的方法用以製備該分子載體，其係利用一步合成的de novo
方法將分子嵌入該金屬有機骨架(MOF)中。以此方式所製得之分子載體，即使金屬有機骨架(MOF)之孔洞小於該分子之尺寸，也可以簡單地使該分子嵌入該金屬有機骨架(MOF)之該內部空間中，故本發明的分子載體能夠更為靈活且廣泛地應用在工業上。
具體而言，本發明係將一含有金屬離子鹽類之溶液、一有機配體、一分子、以及一表面包覆劑混合形成一混合物水溶液後，進行乾燥而製得本發明之分子載體。於形成分子載體的步驟中，必要時在形成混合水溶液後可進一步以去離子水(DI water)漂洗。
本發明之方法，可在生命體存活範圍的溫度4℃至50℃下製備，舉例來說，合成本實施例使用的材料溫度最佳為35℃至45℃之間，然視情況也可以在室溫環境下進行，上述的「室溫環境」可為15℃至35℃。
並且，本發明所使用的含有金屬離子鹽類之溶液可依照欲製備的金屬有機骨架加以選擇而沒有特別限制，可為含有過渡金屬離子鹽類之溶液，譬如含有鋅離子之金屬離子鹽類之溶液、含有鈷離子之金屬離子鹽類之溶液、含鋯離子之金屬離子鹽類之溶液、或含有鉻離子之金屬離子鹽類之溶液等。在本發明一實施例中，係使用含有鋅離子之金屬離子鹽類之溶液以製造出鋅基金屬有機骨架。
金屬有機骨架係由無機金屬中心與橋接的有機配體通過自組裝相互連接，故在本發明中，可視需求選用適當的有機配體，譬如一咪唑-2-甲醛、一2-咪唑甲基、咪唑類衍生物、或對苯二甲酸及其衍生物等，並與上述之含有金屬離子鹽類之溶液中的無機金屬配位組裝。譬如，在本發明一實施例中使用咪唑-2-甲醛作為有機配體，但有機配體的選用並不以此為限。
而在本發明的分子載體的製備方法中，可直接將分子直接在金屬有機骨架合成時嵌入其中。該分子，舉例可為一DNA、一RNA、一蛋白質、一藥物、或一抑制劑等，然本案發明在分子的種類上並沒有特別限制，可依據實際情況選用，在本發明一實施例中，舉例可為一蛋白質酵素。
是以，本發明所提出的de novo
方法合成分子載體，可在生命體存活範圍的溫度(甚至室溫環境)、水相的合成條件下快速合成分子載體，此一溫和合成條件，不僅被包覆生物分子不易受到破壞，且同時所製得的分子載體，其分子係嵌入金屬有機骨架中，不僅可避免分子載體自金屬有機骨架中流失，金屬有機骨架的孔洞性亦可篩選酵素受質大小，同時達到保護骨架內的分子載體免於受到環境因子影響或破壞。
為了使相關領域之技術人員更了解本發明之目的、技術特徵及優點，於下文中將搭配附圖及較佳實施例詳加說明本發明。
實施例1
在20~30℃的室溫下，將硝酸鋅(371.3 mg)加入去離子水(3.0 mL)中，形成一硝酸鋅水溶液。
同時，在42℃下將咪唑-2-甲醛(imidazolate-2-carboxyladehyde, ICA, 480.0 mg)、聚乙烯吡咯烷酮 (polyvinylpyrrolidone, PVP, 50.0 mg)、以及萃取自牛肝的過氧化氫酶(25.0 mg)溶解在去離子水(25.0 mL)中，並與上述之硝酸鋅水溶液混合，並攪拌約10分鐘使其均勻混合。
隨後，以14,000 g離心強度進行離心，將所獲得之產物以去離子水漂洗後，在室溫下進行真空乾燥，即獲得本案發明之分子載體，下文稱為CAT@ZIF-90。
實施例2
合成以螢光標定的過氧化氫酶分子(FITC-CAT)，並以此經過螢光標定的過氧化氫酶分子(FITC-CAT)取代實施例1的過氧化氫酶，以相同於實施例1的de novo
法合成分子載體，下稱為FITC-CAT@ZIF-90。
比較例1
除了未加入萃取自牛肝的過氧化氫酶外，其餘的步驟均與實施例1相同，下稱為ZIF-90。
比較例2
將比較例1的ZIF-90與過氧化氫酶分子以攪拌方式物理性地混合，在比較例2的分子載體中，過氧化氫酶僅吸附在ZIF-90的外表面，下稱為CAT-on-ZIF-90。
比較例3
將比較例1的ZIF-90與經過螢光標定的過氧化氫酶分子(FITC-CAT)物理性地混合，在比較例3的分子載體中，經過螢光標定的過氧化氫酶分子(FITC-CAT)僅吸附在ZIF-90的外表面，下文稱為FITC-CAT-on-ZIF-90。
實驗例1：CAT@ZIF-90的結構
圖1係本發明分子載體100的結構示意圖，該分子載體100包括一金屬有機骨架101(ZIF-90)，金屬有機骨架101具有一內部空間，且該金屬有機骨架101之表面具有複數個孔洞；而分子102(過氧化氫酶)則嵌於該金屬有機骨架101之該內部空間中。進一步透過掃描式電子顯微鏡(SEM) 觀察實施例1中CAT@ZIF-90的結構，如圖2A所示，可觀察到CAT@ZIF-90具有均勻的尺寸，約在1-2 mm。且由X-光繞射(XRD)圖案結果可見CAT@ZIF-90與ZIF-90之晶體結構及結晶度(crystallinity)方面並沒有顯著差異(圖2B)。
接下來，以等溫氮氣吸脫附儀(Micromeritics ASAP 2010 analyzer) 所獲得的等溫氮氣吸脫附圖(nitrogen sorption isotherm)探討CAT@ZIF-90與ZIF-90之孔洞特性，此數據可使我們了解孔洞材料的性質，得到的吸脫附圖(圖3A)的形式類似於典型微孔型固體的吸附等溫曲線Type I (又稱作蘭格米奧型式(Langmuir type))，故可視CAT@ZIF-90與ZIF-90具微孔洞結構。
此外，以朗繆爾(Langmuir)和BET等溫吸脫附模型計算出的比表面積如下表1所示，因為過氧化氫酶分子嵌入孔洞材料之中，佔用了一部份孔洞的表面積，故可觀察到CAT@ZIF-90比ZIF-90具有較小的朗繆爾和BET比表面積(surface area)和總孔洞體積(total pore volume)。
表1
圖3B則為熱重量分析法(thermogravimetric Analysis TGA)結果，其係利用儀器量測樣品材料在特定溫度條件下的重量變化情形，藉以獲得溫度對樣品重量損失的資訊。在約320℃時，CAT@ZIF-90較原始材料ZIF-90有小幅度的重量損失，與單一過氧化氫酶分解的曲線相似，顯示CAT@ZIF-90有過氧化氫酶的分解，證明CAT@ZIF-90確有過氧化氫酶的存在。
實驗例2：氧化氫酶分子嵌入ZIF-90金屬有機骨架中
為了確認過氧化氫酶分子係以嵌入的方式與ZIF-90金屬有機骨架緊密結合，而不是吸附在ZIF-90金屬有機骨架上。實驗例2中，將實施例1之CAT@ZIF-90及比較例2之CAT-on-ZIF-90以去離子水漂洗後，以酸溶去外層包覆金屬有機骨架材料以釋出蛋白質，並進行膠體電泳(SDS-PAGE)分析，如圖4A所示，第1欄 (標記「L1」)係過氧化氫酶、第2欄(標記「L2」)係比較例2之CAT-on-ZIF-90、第3欄(標記「L3」)則是實施例1之CAT@ZIF-90，可在L1及L3約60KDa的地方偵測到蛋白質，其對應為單一過氧化氫酶的分子量，然而L2卻沒有偵測到蛋白質，證實實施例1之CAT@ZIF-90中，氧化氫酶係嵌入ZIF-90中，故無法由去離子水漂洗而輕易地將過氧化氫酶洗去；相反的，比較例2的過氧化氫酶僅以吸附方式吸附在ZIF-90表面，故僅以去離子水就能夠將表面的過氧化氫酶洗掉。
在此以另一個實驗佐證氧化氫酶分子嵌入ZIF-90金屬有機骨架。如圖4B所示，在共軛焦顯微鏡下比較實施例2之FITC-CAT@ZIF-90及比較例3之FITC-CAT-on-ZIF-90(為了避免將表面吸附的過氧化氫酶洗掉，比較例3的分子載體不經漂洗步驟)的分子載體，發現在實施例2之FITC-CAT@ZIF-90中，螢光的分布較為均勻(圖4B之左圖)，然而比較例3之FITC-CAT -on-ZIF-90僅分布在外緣(圖4B之右圖)，可以證實本發明所製造之分子載體，其中的過氧化氫酶係以嵌入的方式與金屬有機骨架結合，而非僅以吸附方式吸附在金屬有機骨架之表面。
實驗例3：本發明之分子載體製備方法能保有生化分子之活性
習知過氧化氫酶可將過氧化氫分解為水和氧氣，故接下來的實驗中，測量過氧化氫的降解動力學，由此評估經本發明之水溶液製備方法及習知酒精溶液製備方法所製得的分子載體，其中包覆的過氧化氫酶是否仍然保有活性。
如圖5所示，以FOX Assay方法，其係利用FOX試劑中的鐵二價離子(Fe2+
)會參與反應剩餘(過氧化氫酶沒反應完的)的過氧化氫氧化成鐵三價離子(Fe3+
)，然鐵三價離子(Fe3+
)會與二甲酚橙(xylenol Orange)在微酸性的條件下形成錯合物(complex)，並在UV-Vis 560nm處有很好的線性吸收強度，來間接獲得過氧化氫的濃度。測得實施例1之CAT@ZIF-90的實測反應速率常數(observed rate constant, kobs
)為0.0268 S-1
，然而，以習知方法利用酒精作為溶劑所製得的分子載體(作為控制組1，其製備方法與實施例1大致相同，不同之處僅在於以酒精取代水作為溶劑)，由於有機溶劑會破壞酵素結構，故無法測得其上方所固定的過氧化氫酶的活性。
此外，實施例1之CAT@ZIF-90中，嵌入在內的過氧化氫酶可受到妥善保護，不會受到環境中其他物質干擾，削弱了過氧化氫酶的效果。為了證實此效果，將未與任何載體結合的過氧化氫酶(作為控制組2)及實施例1之CAT@ZIF-90分別與純蛋白酶K (proteinase K)混合，其中，蛋白酶K的分子尺寸(68.3 x 68.3 x 108.5Å, 28.5kDa)大於實施例1之CAT@ZIF-90孔洞尺寸。由圖5可見，此時作為控制組的過氧化氫酶被蛋白酶K(控制組2：過氧化氫酶+蛋白酶K)抑制而失去活性；但相反的，實施例1之CAT@ZIF-90(實施例1+蛋白酶K)仍然可繼續保持其活性(kobs
=0.0246 S-1
)。
除了前述以過氧化氫酶作為本發明之分子嵌入ZIF-90金屬有機骨架之實驗結果外，另有以肌紅蛋白(Myoglobin)作為分子嵌入ZIF-90金屬有機骨架之實施例，即Myoglobin@ZIF-90，其製備方法與實施例1大致相同，不同之處僅在於以肌紅蛋白取代實施例1的過氧化氫酶。
如圖2B所示，由X-光繞射(XRD)圖案結果可見Myoglobin@ZIF-90與CAT@ZIF-90及ZIF-90之晶體結構及結晶度(crystallinity)方面並沒有顯著差異。
另一方面，亦以相同於比較例2的方式，將肌紅蛋白與ZIF-90以攪拌方式混合，使肌紅蛋白吸附在ZIF-90的外表面，製備出Myoglobin-on-ZIF-90。同時利用與實驗例2相同的方法，利用膠體電泳(SDS-PAGE)證實肌紅蛋白確實是嵌入ZIF-90金屬有機骨架，而非僅以吸附的方式與ZIF-90金屬有機骨架結合。如圖4A所示，L4係為肌紅蛋白、L5為Myoglobin-on-ZIF-90、L6則是Myoglobin@ZIF-90，可觀察到在L4及L6偵測到對應為肌紅蛋白的分子量，然而L5則沒有偵測到蛋白質。證實L6之肌紅蛋白係嵌入ZIF-90中，故無法僅由去離子水漂洗就能輕易地將肌紅蛋白洗掉。
以上所說明之較佳實施例僅用於說明而已，並非用以限制本發明之範圍。本領域具有通常知識者應了解，在不悖離本發明所請申請專利範圍及精神的前提下，可對本發明進行各種改變和修飾。
100‧‧‧分子載體
101‧‧‧金屬有機骨架
102‧‧‧分子
101‧‧‧金屬有機骨架
102‧‧‧分子
圖1係本發明實施例之分子載體之結構示意圖。 圖2A及2B分別係本發明實施例之分子載體之掃描式電子顯微鏡(SEM)影像及X-光繞射(XRD)圖案結果。 圖3A及3B係本發明實施例之分子載體之氮氣吸脫附等溫線以及熱重量分析之結果。 圖4A及4B係以實驗證實本發明實施例之分子載體中，過氧化氫酶分子及肌紅蛋白係嵌入ZIF-90金屬有機骨架。 圖5係本發明一實施例之分子載體之過氧化氫分解動力學分析。
100‧‧‧分子載體
101‧‧‧金屬有機骨架
102‧‧‧分子
Claims (10)
- 一種分子載體，包括： 一金屬有機骨架，具有一內部空間，且該金屬有機骨架之表面具有複數個孔洞；以及 一分子，係嵌於該金屬有機骨架之該內部空間中。
- 如申請專利範圍第1項所述之分子載體，其中，該金屬有機骨架之該孔洞之孔徑係小於該分子之尺寸。
- 如申請專利範圍第1項所述之分子載體，其中，該金屬有機骨架係一以過渡金屬為基礎之金屬有機骨架。
- 如申請專利範圍第1項所述之分子載體，其中，該分子係為一DNA、一RNA、一蛋白質、一藥物、或一抑制劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之分子載體，其中，該分子係為一蛋白質酵素。
- 一種分子載體之製備方法，包括：將一含有金屬離子鹽類之溶液、一有機配體、一分子、以及一表面包覆劑混合形成一混合物水溶液後，進行乾燥而製得。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其係在4℃至50℃之環境下進行。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該含有金屬離子鹽類之溶液係為一含有過渡金屬離子鹽類之溶液。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該有機配體係為咪唑-2-甲醛、2-咪唑甲基、咪唑類衍生物、或對苯二甲酸及其衍生物。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該分子係為一DNA、一RNA、一蛋白質、一藥物、或一抑制劑。
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