天然酶，以其高催化效率、高底物特异性和可持续性等卓越优势，作为绿色催化剂在纺织、生物燃料、生命支持系统、食品、制药以及医疗设备等领域中被广泛应用。然而，在实际应用过程中，天然酶面临一系列棘手难题。当外界环境中的温度、pH 值或者溶剂等发生改变时，酶的结构易应激受损，从而降低催化性能，极大地限制了天然酶在工业领域的大规模推广应用。与此同时，酶出色的水溶性也为其循环利用设置了重重障碍。酶固定化（将酶固定在多孔载体上）可提高酶稳定性和延长循环寿命，为酶催化剂的发展带来新可能。在酶固定化领域中，物理吸附法凭借操作简便等特性，在工业生产中依旧是常用且通用的技术手段，相关商业产品如Novozym®435已在市场上得到广泛应用。然而，物理吸附法存在着酶装载效率低、固定不够紧密以及酶易泄漏等先天性缺陷。尽管已有众多相关应对策略，但常伴随酶活性降低、孔堵塞而限制底物扩散等新问题。因此，开发一种能够原位实施、经济高效且适用于大规模生产的策略，增强物理吸附法固定化酶体系在工业环境中的稳定性和使用寿命，成为了当前该领域亟待攻克的关键课题。

  硅基基质具有化学惰性、机械强度高和热稳定性好等优良特性而被广泛用于酶固定化。朱伟教授团队长期致力于硅基基质在酶固定化及调控生命体活动等方面的研究，并取得了一系列成果（PNAS. 2024, 121, e2408273121; PNAS. 2024, 121, e2322418121; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406110；Nat. Rev. Bioeng. 2024, 2, 282; ACS Nano 2022, 16, 2164；Nat. Commun. 2022, 13, 6265；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 17, 6305等）。

图1.上图：蛋白质催化硅化反应的示意图，该过程原位强化固定化酶的结构，并增强酶与载体材料间的相互作用。下图：描绘固定化酶在三种不同硅化状态下的催化活性和泄漏情况。

  基于原位硅化法的“硅基无机胶水”具有以下几大优势：

  2）优化酶与载体基质的相互作用：多孔载体孔壁表面的官能团（如氨基）能够催化硅化反应，随后与发生硅化的酶相结合。这一过程如同 “胶水效应”，极大地加强了酶与支持基质之间的相互作用，有效防止酶泄漏，显著延长固定化酶的循环寿命（图3）。

图3. a）EMG、EMGT-1和EMGT-2透射电子显微镜和部分放大。b） EMGT-1的 EDS 元件分析图。c）EMG和EMGT-1的PXRD图像。d）EMG和EMGT-1的77 K氮吸附等温线。e）EMG和EMGT-1的孔径分布曲线。f）EMG、EMGT-1和EMGT-2的回收稳定性。在各种恶劣条件下处理后EMG、EMGT-1和EMGT-2的相对活性：g）5 M尿素。h）60 °C和 i） 冻融循环（从?80 °C 15分钟到+35 °C 2 分钟）。

  为研究原位硅化对物理吸附法固定化酶体系的影响，研究人员通过调节硅烷浓度来研究硅化程度对固定化酶体系的影响，结果显示40 mM硅化24 h的半固定状态（EMGT-1）明显提高葡萄糖氧化酶在介孔有机框架中的稳定性和使用寿命，经过8次循环后的剩余活性比仅固定化组提高44.51%。然而，80 mM硅化的24 h的全固定化状态（EMGT-2）在循环使用测试过程中，酶活性均低于未硅化组EMG，猜测可能是由于过度硅化，导致多孔框架孔道缩小，进而阻碍底物和产物的扩散。结果表明原位硅化过程是高度可控的，适当的硅化可以加强酶与基质之间的相互作用，进一步增强固定化酶的循环能力和稳定性（图3）。

图4. a）TLL 的图和大小。b）EMT 和 EMTT 的回收稳定性。在各种恶劣条件下处理后游离TLL、EMT和EMTT的相对活性：c）70 °C和d）冻融循环。e）PGA的图和大小。f） EMP和EMPT的回收稳定性。在各种恶劣条件下处理后游离PGA、EMP和EMPT的相对活性：g）50 °C和 h）冻融循环。i）GOx@Resin 图。j）RG 和 RGT 的回收稳定性。在各种恶劣条件下处理后游离GOx、RG 和 RGT 的相对活性：k）60 °C和l）冻融循环（从 -80 °C 15 分钟到 +35 °C 2 分钟）。

  总得来说，基于原位硅化法的“硅基无机胶水”强化固定化酶体系的策略，从酶和载体的角度都证明其具有广泛的适用性，有望为酶固定化领域引入一种新的技术，为具有成本效益的工业工艺开辟新道路，从而拓宽酶的应用前景。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202407831