以酶为代表的生物大分子在生物制造和生物医学等诸多领域，具有重要且多样的功能和应用潜力。然而其通常以混合物的形式存在于天然生物系统中，浓度较低、成分复杂，容易受到操作过程和外界环境的影响。因此，从天然生物系统中高产率、高纯度、高活性地提取目标生物大分子（HHH纯化）具有很大的挑战，对高性能分离技术和介质提出了迫切要求。

  南开大学陈瑶课题组创制了基于共价有机框架 (COFs)的“晶态海绵”，直接从天然生物系统（蛋清）中高效提取和生产特定酶。溶菌酶在食品、制药等领域具有广泛的应用，该研究将其设定为目标酶。作者设计了溶菌酶相适配（孔道大小、亲疏水性、表面电位等）的介孔COFs（TPB-DMTP-COF），通过可控的吸附和洗脱，成功地从鸡蛋清中提取了高纯度、高稳定性、高活性的溶菌酶（图1）。通过上述巧妙设计，可便捷地通过调节主客体相互作用获得优异的吸附选择性，并实现对特定蛋白的捕获和释放。例如，负载在TPB-DMTP-COF的溶菌酶可以通过调节洗脱液的pH实现快速完全释放。基于本方法从蛋清中直接提取的高纯度溶菌酶展现出比商业化溶菌酶更高的活性（催化活性提高约3倍），且具有更高的稳定性。值得注意的是，COF海绵表现出优异的重复利用性：经过5次高强度吸附-解析操作，效能无明显降低。作者通过克级操作可以从鸡蛋清中直接制备约0.7 克高纯度溶菌酶，实现从天然生物系统直接高效精准制备特定蛋白。

图1. COF“晶态海绵”从蛋清中提取和制备高纯度溶菌酶示意图。

  作者对比了不同类型的分离介质对溶菌酶的吸附能力，结果表明：TPB-DMTP-COF对溶菌酶的吸附能力（高达0.71g/g）远高于传统的多孔材料（大孔树脂、活性炭、MCM-41）。此外，COFs的种类、亲疏水性、孔道大小和孔隙率等因素均会影响其对溶菌酶的吸附能力。通过激光共聚焦共定位进一步确认了TPB-DMTP-COF对溶菌酶优异的负载能力，且蛋白在COFs中具有良好的分散性（图2）。

  此外，作者进一步分析了溶菌酶自身理化性质（如等电点，pI~11），并以此为出发点设计并研究了不同pH下TPB-DMTP-COF电势电位的变化规律，基于可逆质子化机理，设计优化了对溶菌酶的捕获和释放：当pH高于7时，TPB-DMTP-COF材料和溶菌酶具有相反的电荷，TPB-DMTP-COF与溶菌酶之间的强静电吸引促进了对溶菌酶的吸附；当pH调整到7以下时，酶与材料之间形成较强的的静电斥力，实现对溶菌酶的可控释放（图3）。

  作者将所设计的TPB-DMTP-COF体系运用于从蛋清类天然生物系统中直接提取目标蛋白。如SDS-PAGE所示，鸡蛋清中含有多种不同分子量的蛋白质（图4a，Lane 1）。TPB-DMTP-COF处理后（图4a，Lane 2）溶菌酶对应的条带消失，证明溶菌酶被TPB-DMTP-COF高效选择性吸附。洗脱液显示出与溶菌酶对应的单一密集条带(图4a，Lane 3)，表明体系对溶菌酶的高效释放，且所制备溶菌酶具有高纯度。此外，与商业溶菌酶相比，所制备的高纯度溶菌酶酶活提高到344%，并且对温度、pH、有机溶剂处理，展现出优异的稳定性。经过5次吸附-解吸循环操作，TPB-DMTP-COF仍可从鸡蛋清中高效提取出溶菌酶，表明该新型分离介质具有优良的重复利用性。上述从天然体系中便捷分离目标蛋白的新方法，实现了高产率、高纯度、高活性的HHH纯化目标。这项研究为高效生物分离的高性能多孔介质设计提供了有价值的指导，并为蛋白类生物大分子的高纯度便捷制备提出了创新思路。

  上述成果近期发表在Chem. Eng. J.上，通讯作者是南开大学陈瑶研究员，广东药科大学药学院硕士研究生陈海欣和南开大学药学院博士生金超楠为共同第一作者。

作者团队简介：

  陈瑶，南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院研究员，博士生导师。2016年加入南开大学，创建独立课题组。研究长期聚焦生物大分子剂型工程及相关生物催化、生物分离的应用基础研究。承担多项国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目子课题和企业合作/委托项目。已发表论文87篇及中英文专著2部，以第一或通讯作者在包括Nat. Rev. Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem, Adv. Mater.，Chem. Soc. Rev.，Coord. Chem. Rev.，ACS Central. Sci., ACS Appl. Mater. Inter.，J. Med. Chem. Adv. Healthc. Mater.等高水平学术期刊发表论文43篇（论文篇均影响因子>10），他引超过4000次，8篇论文入选ESI高被引。授权或申请中国发明专利31件、PCT2件、美国发明专利3件；任中国化工学会生物化工专委会常委、中国化工学会女科委首届委员、中国生物医药技术协会生物制药技术分会委员、天津市化工学会理事等，担任CCL、Particuology、Biodesign Research等杂志编委；入选天津市高层次人才计划，并获得国家优秀青年科学基金。