最新Nature Catalysis：聚合物修饰活细胞实现可回收光酶催化

01【科学背景】

在自然界中，细胞已经进化到能够在其膜内组装具有催化活性的生物大分子，促进多种酶介导的反应，使底物可以直接接触催化剂，绕过跨细胞膜的传质阻力，对于加速制药和发酵工业的生物转化具有重大意义。例如，哺乳动物的细胞膜含有天冬氨酸N-乙酰转移酶、弗林蛋白酶和人酪氨酸酶，它们催化合成功能蛋白所需的重要氨基酸。另一方面，细菌细胞膜中含有脂质A二糖脱氢酶、醇脱氢酶 (ADH) 和醛脱氢酶 (ALDH)，它们负责将各种营养物质转化为支持生命过程的关键化合物。这些自然进化的系统允许底物直接接触催化剂，绕过跨细胞膜的传质阻力，这一优势对加速制药和发酵行业的生物转化具有重要意义。然而, 天然生物催化剂已经进化用于特定的生物目的, 因此表现出有限的种类和功能, 使得它们不适合于广泛的工业应用。为了解决这些限制, 研究人员已经开发了遗传和化学工程策略, 用于将感兴趣的生物大分子（从天然到人工酶）结合到细胞表面以达到催化目的, 例如有机磷农药降解, 生物柴油的合成等。尽管取得了相当大的进展, 但与细胞内的重组酶相比, 工程膜相关生物大分子通常表现出较低的表达水平，导致催化剂供应不足。此外, 由于直接暴露于环境应力, 如紫外线辐射、 有机溶剂和高温, 它们的稳定性往往受到损害, 这在工业过程中是常见的。因此, 提高这些生物大分子的反应性以实现稳健且新颖的化学转化仍然是一个紧迫的挑战。最近，多功能聚合物结合了接枝和接枝的方法，使免疫保护和选择性微生物结合等应用成为可能。然而，尽管活性合成大分子在促进生物转化方面具有潜力，但它们在细胞膜上与细胞中的重组酶结合用于催化目的的应用仍未得到充分的探索。缺乏进展的一个主要原因是，在保持生物相容性和细胞功能的同时，如何有效地将合成大分子嫁接到细胞膜上存在挑战。

02【创新成果】

针对以上问题，近日，南丹麦大学吴昌柱教授团队在《Nature Catalysis》上发表了题为“Engineering living cells with polymers for recyclable photoenzymatic catalysis”的文章，该项研究提出了一种通过合成催化聚合物工程化细胞膜的概念验证，在细胞膜上修饰催化聚合物，从而实现光酶催化，克服细胞膜工程化的困难和挑战，得到稳健、可循环利用的光酶催化剂。该项工作在大肠杆菌上通过一步原位原子转移自由基聚合，在细胞形成具有保护能力的聚合物层，保护细胞免受环境压力的影响，促进酶催化反应。作为概念验证，该项研究展示了一种基于蒽醌聚合物和苯甲醛裂解酶的光酶级联反应，将苯甲醇转化为苯偶姻，并实现了比对照组高15倍的生物转化率。此外，细胞作为聚合物的巨大生物支架，使大分子催化剂能够循环利用。这一成果在合成化学、聚合物化学和生物技术领域打开了新的前景。

03【数据概览】

图1. 聚合物接枝细胞的制备及其在化学酶级联反应中的应用© 2024 Springer Nature

图2. 接枝聚合物的特性及其在细胞表面的分布© 2024 Springer Nature

图3. 聚合物接枝大肠杆菌细胞的活力和增殖研究© 2024 Springer Nature

图4. 接枝聚合物大肠杆菌细胞的相容性评价© 2024 Springer Nature

图5. 聚合物对外部应力环境的保护© 2024 Springer Nature

图6. 聚合物接枝大肠杆菌细胞的光酶级联反应© 2024 Springer Nature

图7. 聚合物移植的大肠杆菌细胞的化学酶级联研究© 2024 Springer Nature

04【科学启迪】

该项工作通过将合成大分子整合到细胞膜上，设计了一种化学工程大肠杆菌细胞的原理验证策略，为化学工程细胞提供了一个简单的平台技术，允许其他细胞和聚合物的组合来解决生物医学和生物转化领域的挑战，为新的自然应用铺平了道路。这项原理验证研究利用该方法的简便性和保护性，探索了聚合物接枝细胞在化学酶促级联反应中的应用，将两种聚合物催化剂与细胞中三种过表达的酶结合起来，实现了增值不对称合成，涵盖了从单步反应到多步级联反应的范围。此外，这些细胞作为聚合物催化剂的生物载体，促进了催化剂的有效循环利用。聚合物工程策略可以进一步完善成为一种通用的可回收化学酶催化方法，为可持续化学的未来做出贡献。

原文链接：

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