01【科學(xué)背景】
在自然界中，最新細(xì)胞已經(jīng)進(jìn)化到能夠在其膜內(nèi)組裝具有催化活性的合物活細(xì)回收生物大分子，促進(jìn)多種酶介導(dǎo)的修飾現(xiàn)反應(yīng)，使底物可以直接接觸催化劑，胞實繞過跨細(xì)胞膜的光酶傳質(zhì)阻力，對于加速制藥和發(fā)酵工業(yè)的催化材料生物轉(zhuǎn)化具有重大意義。例如，最新哺乳動物的合物活細(xì)回收細(xì)胞膜含有天冬氨酸N-乙酰轉(zhuǎn)移酶、弗林蛋白酶和人酪氨酸酶，修飾現(xiàn)它們催化合成功能蛋白所需的胞實重要氨基酸。另一方面，光酶細(xì)菌細(xì)胞膜中含有脂質(zhì)A二糖脫氫酶、催化材料醇脫氫酶 (ADH) 和醛脫氫酶 (ALDH)，最新它們負(fù)責(zé)將各種營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為支持生命過程的合物活細(xì)回收關(guān)鍵化合物。這些自然進(jìn)化的修飾現(xiàn)系統(tǒng)允許底物直接接觸催化劑，繞過跨細(xì)胞膜的傳質(zhì)阻力，這一優(yōu)勢對加速制藥和發(fā)酵行業(yè)的生物轉(zhuǎn)化具有重要意義。然而, 天然生物催化劑已經(jīng)進(jìn)化用于特定的生物目的, 因此表現(xiàn)出有限的種類和功能, 使得它們不適合于廣泛的工業(yè)應(yīng)用。為了解決這些限制, 研究人員已經(jīng)開發(fā)了遺傳和化學(xué)工程策略, 用于將感興趣的生物大分子（從天然到人工酶）結(jié)合到細(xì)胞表面以達(dá)到催化目的, 例如有機(jī)磷農(nóng)藥降解, 生物柴油的合成等。盡管取得了相當(dāng)大的進(jìn)展, 但與細(xì)胞內(nèi)的重組酶相比, 工程膜相關(guān)生物大分子通常表現(xiàn)出較低的表達(dá)水平，導(dǎo)致催化劑供應(yīng)不足。此外, 由于直接暴露于環(huán)境應(yīng)力, 如紫外線輻射、 有機(jī)溶劑和高溫, 它們的穩(wěn)定性往往受到損害, 這在工業(yè)過程中是常見的。因此, 提高這些生物大分子的反應(yīng)性以實現(xiàn)穩(wěn)健且新穎的化學(xué)轉(zhuǎn)化仍然是一個緊迫的挑戰(zhàn)。最近，多功能聚合物結(jié)合了接枝和接枝的方法，使免疫保護(hù)和選擇性微生物結(jié)合等應(yīng)用成為可能。然而，盡管活性合成大分子在促進(jìn)生物轉(zhuǎn)化方面具有潛力，但它們在細(xì)胞膜上與細(xì)胞中的重組酶結(jié)合用于催化目的的應(yīng)用仍未得到充分的探索。缺乏進(jìn)展的一個主要原因是，在保持生物相容性和細(xì)胞功能的同時，如何有效地將合成大分子嫁接到細(xì)胞膜上存在挑戰(zhàn)。
02【創(chuàng)新成果】
針對以上問題，近日，南丹麥大學(xué)吳昌柱教授團(tuán)隊在《Nature Catalysis》上發(fā)表了題為“Engineering living cells with polymers for recyclable photoenzymatic catalysis”的文章，該項研究提出了一種通過合成催化聚合物工程化細(xì)胞膜的概念驗證，在細(xì)胞膜上修飾催化聚合物，從而實現(xiàn)光酶催化，克服細(xì)胞膜工程化的困難和挑戰(zhàn)，得到穩(wěn)健、可循環(huán)利用的光酶催化劑。該項工作在大腸桿菌上通過一步原位原子轉(zhuǎn)移自由基聚合，在細(xì)胞形成具有保護(hù)能力的聚合物層，保護(hù)細(xì)胞免受環(huán)境壓力的影響，促進(jìn)酶催化反應(yīng)。作為概念驗證，該項研究展示了一種基于蒽醌聚合物和苯甲醛裂解酶的光酶級聯(lián)反應(yīng)，將苯甲醇轉(zhuǎn)化為苯偶姻，并實現(xiàn)了比對照組高15倍的生物轉(zhuǎn)化率。此外，細(xì)胞作為聚合物的巨大生物支架，使大分子催化劑能夠循環(huán)利用。這一成果在合成化學(xué)、聚合物化學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域打開了新的前景。
03【數(shù)據(jù)概覽】
圖1.?聚合物接枝細(xì)胞的制備及其在化學(xué)酶級聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用? 2024 Springer Nature
圖2.?接枝聚合物的特性及其在細(xì)胞表面的分布? 2024 Springer Nature
圖3.?聚合物接枝大腸桿菌細(xì)胞的活力和增殖研究? 2024 Springer Nature
圖4.?接枝聚合物大腸桿菌細(xì)胞的相容性評價? 2024 Springer Nature
圖5.?聚合物對外部應(yīng)力環(huán)境的保護(hù)? 2024 Springer Nature
圖6.?聚合物接枝大腸桿菌細(xì)胞的光酶級聯(lián)反應(yīng)? 2024 Springer Nature
圖7.?聚合物移植的大腸桿菌細(xì)胞的化學(xué)酶級聯(lián)研究? 2024 Springer Nature
04【科學(xué)啟迪】
該項工作通過將合成大分子整合到細(xì)胞膜上，設(shè)計了一種化學(xué)工程大腸桿菌細(xì)胞的原理驗證策略，為化學(xué)工程細(xì)胞提供了一個簡單的平臺技術(shù)，允許其他細(xì)胞和聚合物的組合來解決生物醫(yī)學(xué)和生物轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，為新的自然應(yīng)用鋪平了道路。這項原理驗證研究利用該方法的簡便性和保護(hù)性，探索了聚合物接枝細(xì)胞在化學(xué)酶促級聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用，將兩種聚合物催化劑與細(xì)胞中三種過表達(dá)的酶結(jié)合起來，實現(xiàn)了增值不對稱合成，涵蓋了從單步反應(yīng)到多步級聯(lián)反應(yīng)的范圍。此外，這些細(xì)胞作為聚合物催化劑的生物載體，促進(jìn)了催化劑的有效循環(huán)利用。聚合物工程策略可以進(jìn)一步完善成為一種通用的可回收化學(xué)酶催化方法，為可持續(xù)化學(xué)的未來做出貢獻(xiàn)。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41929-024-01259-5
