Encapsulation of biomacromolecules in metal-organic frameworks (MOFs) can preserve biological functionality in harsh environments. Despite the success of this approach, termed biomimietic mineralization, limited consideration has been given to the chemistry of the MOF coating. Here, we show that enzymes encapsulated within hydrophilic MAF-7 or ZIF-90 retain enzymatic activity upon encapsulation and when exposed to high temperatures, denaturing or proteolytic agents, and organic solvents, whereas hydrophobic ZIF-8 affords inactive catalase and negligible protection to urease.

Protection of biological assemblies is critical to applications in biotechnology, increasing the durability of enzymes in biocatalysis or potentially stabilizing biotherapeutics during transport and use. Here we show that a porous hydrogen-bonded organic framework (HOF) constructed from water-soluble tetra-amidinium (1·Cl4) and tetracarboxylate (2) building blocks can encapsulate and stabilize biomolecules to elevated temperature, proteolytic and denaturing agents, and extend the operable pH range for catalase activity. The HOF, which readily retains water within its framework structure, can also protect and retain the activity of enzymes such as alcohol oxidase, that are inactive when encapsulated within zeolitic imidazolate framework (ZIF) materials. Such HOF coatings could provide valid alternative materials to ZIFs: they are metal free, possess larger pore apertures, and are stable over a wider, more biologically relevant pH range.

Abstract We previously reported potent ligands and inhibitors of Mycobacterium tuberculosis dethiobiotin synthetase ( Mt DTBS), a promising target for antituberculosis drug development (Schumann et al., ACS Chem Biol. 2021, 16, 2339-2347); here the unconventional origin of the fragment compound they were derived from is described for the first time. Compound 1 (9b-hydroxy-6b,7,8,9,9a,9b-hexahydrocyclopenta[3,4]cyclobuta[1,2-c]chromen-6(6a H )-one), identified by in silico fragment screen, was subsequently shown by surface plasmon resonance to have dose-responsive binding ( K D 0.6 mM). Clear electron density was revealed in the DAPA substrate binding pocket, when 1 was soaked into Mt DTBS crystals, but the density was inconsistent with the structure of 1 . Here we show the lactone of 1 hydrolyses to carboxylic acid 2 under basic conditions, including those of the crystallography soak, with subsequent ring-opening of the component cyclobutane ring to form cyclopentylacetic acid 3 . Crystals soaked directly with authentic 3 produced electron density that matched that of crystals soaked with presumed 1 , confirming the identity of the bound ligand. The synthetic utility of fortuitously formed 3 enabled subsequent compound development into nanomolar inhibitors. Our findings represent an example of chemical modification within drug discovery assays and demonstrate the value of high-resolution structural data in the fragment hit validation process. Synopsis A molecule flagged in an in silico docking screen against Mt DTBS, was inadvertently hydrolysed in the crystal conditions used for hit validation. The resulting fragment-sized molecule bound to the DAPA substrate binding pocket of the target enzyme ( Mt DTBS) with millimolar affinity, as measured by surface plasmon resonance, but was later modified to a highly potent (nanomolar) ligand and promising lead for the development of novel tuberculosis treatments. Graphical Abstract