图1.上图：蛋白质催化硅化反应的示意图，该过程强化原位固定化酶的结构，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。
天然酶因具有高催化效率、高底物特异性和可持续性等显著优势，在纺织、生物燃料、生命支持系统、食品、制药以及医疗设备等诸多领域有着广泛应用 。然而，酶的应用面临一系列棘手挑战。外界环境诸如温度、pH值和溶剂等因素稍有变动，酶的结构便极易因应激而受损，进而严重影响其催化性能，这极大地限制了酶在工业领域的大规模应用。同时，酶出色的水溶性也给其循环利用造成了极大阻碍。酶固定化（将酶固定在多孔载体上）可提高酶稳定性、延长循环寿命，为酶催化剂发展带来新可能。在酶固定化领域，虽已开发出多种策略，但物理吸附法因其操作简便等特性，在工业上依旧是常用且通用的技术，相关商业产品如 Novozym®435已被广泛应用。但该方法存在酶装载效率低、固定松散和酶泄漏等天然缺陷。虽有众多应对策略，但又会引发降低酶活性、孔堵塞从而限制底物扩散等新问题。因此，开发一种原位、经济有效且适用于大规模生产的策略，以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，成为该领域亟待解决的关键问题。
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）。
在此工作中，朱伟教授团队引入了一种新概念——硅基无机胶水，通过酶蛋白和多孔载体的官能团诱导硅化作用，实现原位强化固定化酶结构、增强载体与酶相互作用，且不影响酶原始活性，进而提升固定化酶的稳定性和使用寿命。该概念具有以下优势：
1）强化酶结构——固体无机二氧化硅与酶在单酶水平上进行杂交，有效强化酶的结构，增强固定化酶对外部环境变化的抵抗能力；
2）优化酶与基质的相互作用——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；
3）避免孔隙堵塞——该方法引入多孔载体的二氧化硅量极少且高度可控，能够有效避免孔隙堵塞问题，确保底物和产物在孔隙通道内的正常扩散不受影响；
4）具备成本效益与可扩展性——该工艺可直接应用于现有的工业固定化酶系统，为工业生产提供了一种经济高效且易于扩展的解决方案。
总的来说，基于硅基无机胶水的增强策略，凭借其简单性、可靠性和高效性，为酶固定化工业的发展注入了强大动力，有望在多个领域推动绿色、可持续的工业生产变革。
该研究得到了国家自然科学基金及广东省自然科学基金等项目的支持。
