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細胞內(nèi)重要的代謝物變化與很多疾病的發(fā)生有著密切的關系，細胞內(nèi)目標代謝物的檢測對細胞代謝基礎研究和疾病早期診斷具有重要意義。簡便易操作并且適用性廣的單細胞水平的胞內(nèi)代謝物的靈敏檢測技術在重大疾病比如癌癥的早期診斷及預后監(jiān)測、慢性病的健康管理等方面具有廣闊的應用前景。

該工作提出基于酶催化的細胞內(nèi)代謝物原位檢測新方法，利用酶催化對底物的專一性和高效性實現(xiàn)對目標代謝物分子的高選擇性轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生可檢測的熒光信號；理論上該方法可以針對不同目標代謝物設計特定的酶催化反應進行檢測，具有很好的普適性。該方法的關鍵是將酶分子遞送進細胞后如何保持酶催化劑在胞內(nèi)環(huán)境中的高活性和良好的穩(wěn)定性。戈鈞課題組前期工作提出一步共沉淀法將酶分子包埋于無機晶體、金屬有機骨架晶體中，利用載體微環(huán)境的限域效應、鄰近效應等增強酶催化劑在人工應用環(huán)境下的穩(wěn)定性以及酶-金屬耦合催化的總效率，利用缺陷效應提高金屬有機骨架晶體中酶催化的表觀活性，開發(fā)了基于化學工程和納米技術手段改造酶催化劑的新途徑。

在此基礎上，本研究進一步利用缺陷工程方法，在一步共沉淀法制備酶-金屬有機骨架復合物的過程中，調(diào)控有機配體濃度，產(chǎn)生大量金屬離子和有機配體間的配位缺陷。通過掃描電鏡、超分辨熒光、X射線衍射、X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜、分子動力學模擬等手段相結(jié)合，該研究發(fā)現(xiàn)配位缺陷使得金屬有機骨架在形成過程中喪失了長程有序結(jié)構(gòu)，發(fā)生了由晶態(tài)向無定形狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，酶分子被包埋在100nm左右的粒徑均一的無定形載體中。分子模擬發(fā)現(xiàn)無定形金屬有機骨架載體中出現(xiàn)大量3-6nm的介孔，氮氣吸附實驗確認了載體中介孔的存在，冷凍電鏡斷層成像技術則直接觀察到了酶-無定形金屬有機骨架復合物中大量存在的貫穿介孔，而相應的晶態(tài)復合物中僅存在1nm左右的微孔。通過載體中的酶催化反應-擴散模型的理論計算，該研究發(fā)現(xiàn)晶態(tài)復合物中1nm左右的微孔限制了酶的底物分子在載體中的傳質(zhì)，從而嚴重降低了酶催化劑的表觀活性。而酶-無定形金屬有機骨架復合物中，大量3-6nm的貫穿介孔有利于底物分子的傳質(zhì)，酶催化劑的表觀活性比晶態(tài)提高5~20倍，接近于天然狀態(tài)酶的活性。同時，載體的限域包埋提高了酶催化劑在高溫、蛋白酶等苛刻條件下的穩(wěn)定性。 

圖1. 無定形金屬有機骨架納米顆粒(a)以及酶-無定形金屬有機骨架復合物(b)的掃描電鏡圖；(c)酶-無定形金屬有機骨架復合物的超分辨熒光顯微鏡；(d)X-射線衍射；(e)X-射線吸收精細結(jié)構(gòu)；(f)分子動力學模擬孔徑；(g)氮氣吸附實驗并通過NLDFT模型計算的孔徑分布；(h)冷凍電子斷層成像術直觀觀察到的酶-無定形金屬有機骨架復合物介孔；(i)包埋酶的表觀酶活性。

粒徑均一的100nm左右的無定形金屬有機骨架載體將包埋其中的酶分子通過胞吞作用遞送進入細胞，酶催化劑在載體保護下在胞內(nèi)具有良好的活性和穩(wěn)定性，催化目標代謝物反應產(chǎn)生熒光信號。以胞內(nèi)葡萄糖檢測為例，基于熒光信號強度，該方法可以很簡便實現(xiàn)活細胞內(nèi)葡萄糖濃度的原位準確測定，并且與傳統(tǒng)的細胞裂解檢測方法的結(jié)果一致。更為重要的是，該方法可以實現(xiàn)單細胞水平的檢測，很好地避免了傳統(tǒng)細胞裂解檢測方法的濃度平均化問題。進一步地，本研究中基于腫瘤細胞的“瓦博格效應”（Warburg effect），利用酶-無定形金屬有機骨架復合物檢測出了多種癌細胞內(nèi)葡萄糖濃度顯著高于正常細胞，可以用于癌細胞和正常細胞的區(qū)分，為開發(fā)癌癥液態(tài)活檢技術提供了新思路。 

圖2. 肝癌細胞和正常肝細胞的熒光強度變化圖(a)以及對應的共聚焦系統(tǒng)圖像(b)；(c)不同細胞胞內(nèi)葡萄糖濃度和檢測熒光強度的關系；各細胞熒光強度達到峰值時的細胞圖像(d)。

清華大學化工系吳曉玲博士（現(xiàn)為華南理工博士后）、中國科學院過程所副研究員岳華和清華大學化工系博士生張原宇為本文共同第一作者，清華大學化工系長聘副教授戈鈞、中國科學院過程所研究員魏煒、天津大學化工學院張麟教授和清華大學生命科學學院研究員李賽為本文共同通訊作者。清華大學為第一完成單位。該研究得到國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項青年項目、國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金、北京自然科學基金杰出青年基金等項目的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13153-x