01【科學背景】

在自然界中，最新細胞已經進化到能夠在其膜內組裝具有催化活性的合物活細回收生物大分子，促進多種酶介導的修飾現反應，使底物可以直接接觸催化劑，胞實繞過跨細胞膜的光酶傳質阻力，對于加速制藥和發酵工業的催化材料生物轉化具有重大意義。例如，最新哺乳動物的合物活細回收細胞膜含有天冬氨酸N-乙酰轉移酶、弗林蛋白酶和人酪氨酸酶，修飾現它們催化合成功能蛋白所需的胞實重要氨基酸。另一方面，光酶細菌細胞膜中含有脂質A二糖脫氫酶、催化材料醇脫氫酶 (ADH) 和醛脫氫酶 (ALDH)，最新它們負責將各種營養物質轉化為支持生命過程的合物活細回收關鍵化合物。這些自然進化的修飾現系統允許底物直接接觸催化劑，繞過跨細胞膜的傳質阻力，這一優勢對加速制藥和發酵行業的生物轉化具有重要意義。然而, 天然生物催化劑已經進化用于特定的生物目的, 因此表現出有限的種類和功能, 使得它們不適合于廣泛的工業應用。為了解決這些限制, 研究人員已經開發了遺傳和化學工程策略, 用于將感興趣的生物大分子（從天然到人工酶）結合到細胞表面以達到催化目的, 例如有機磷農藥降解, 生物柴油的合成等。盡管取得了相當大的進展, 但與細胞內的重組酶相比, 工程膜相關生物大分子通常表現出較低的表達水平，導致催化劑供應不足。此外, 由于直接暴露于環境應力, 如紫外線輻射、 有機溶劑和高溫, 它們的穩定性往往受到損害, 這在工業過程中是常見的。因此, 提高這些生物大分子的反應性以實現穩健且新穎的化學轉化仍然是一個緊迫的挑戰。最近，多功能聚合物結合了接枝和接枝的方法，使免疫保護和選擇性微生物結合等應用成為可能。然而，盡管活性合成大分子在促進生物轉化方面具有潛力，但它們在細胞膜上與細胞中的重組酶結合用于催化目的的應用仍未得到充分的探索。缺乏進展的一個主要原因是，在保持生物相容性和細胞功能的同時，如何有效地將合成大分子嫁接到細胞膜上存在挑戰。

02【創新成果】

針對以上問題，近日，南丹麥大學吳昌柱教授團隊在《Nature Catalysis》上發表了題為“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胞膜的概念驗證，在細胞膜上修飾催化聚合物，從而實現光酶催化，克服細胞膜工程化的困難和挑戰，得到穩健、可循環利用的光酶催化劑。該項工作在大腸桿菌上通過一步原位原子轉移自由基聚合，在細胞形成具有保護能力的聚合物層，保護細胞免受環境壓力的影響，促進酶催化反應。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反應，將苯甲醇轉化為苯偶姻，并實現了比對照組高15倍的生物轉化率。此外，細胞作為聚合物的巨大生物支架，使大分子催化劑能夠循環利用。這一成果在合成化學、聚合物化學和生物技術領域打開了新的前景。

03【數據概覽】

圖1.?聚合物接枝細胞的制備及其在化學酶級聯反應中的應用? 2024 Springer Nature

圖2.?接枝聚合物的特性及其在細胞表面的分布? 2024 Springer Nature

圖3.?聚合物接枝大腸桿菌細胞的活力和增殖研究? 2024 Springer Nature

圖4.?接枝聚合物大腸桿菌細胞的相容性評價? 2024 Springer Nature

圖5.?聚合物對外部應力環境的保護? 2024 Springer Nature

圖6.?聚合物接枝大腸桿菌細胞的光酶級聯反應? 2024 Springer Nature

圖7.?聚合物移植的大腸桿菌細胞的化學酶級聯研究? 2024 Springer Nature

04【科學啟迪】

該項工作通過將合成大分子整合到細胞膜上，設計了一種化學工程大腸桿菌細胞的原理驗證策略，為化學工程細胞提供了一個簡單的平臺技術，允許其他細胞和聚合物的組合來解決生物醫學和生物轉化領域的挑戰，為新的自然應用鋪平了道路。這項原理驗證研究利用該方法的簡便性和保護性，探索了聚合物接枝細胞在化學酶促級聯反應中的應用，將兩種聚合物催化劑與細胞中三種過表達的酶結合起來，實現了增值不對稱合成，涵蓋了從單步反應到多步級聯反應的范圍。此外，這些細胞作為聚合物催化劑的生物載體，促進了催化劑的有效循環利用。聚合物工程策略可以進一步完善成為一種通用的可回收化學酶催化方法，為可持續化學的未來做出貢獻。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41929-024-01259-5