华人科学家基于大肠杆菌构建防御性人造孢子，可帮助构建界面生物催化的强大细胞工厂
- 麻省理工科技评论
- 2022-06-13 19:51:24
【华人科学家基于大肠杆菌构建防御性人造孢子，可帮助构建界面生物催化的强大细胞工厂】
在生物学 中，细胞已经进化出针对不利环境的防御机制。例如，细菌孢子可以屏蔽紫外线辐射和化学攻击，以保护 DNA 机制，因此可被用于实现持久的全细胞催化。然而，天然细菌孢子本身受到少数可用微生物及其代谢休眠和酶活性降低的限制，这激发了人造孢子的发展，但迄今为止开发的人造孢子仅限于具有天然内源性酶的几种微生物，未能成为广泛通用的合成平台。
近日，南丹麦大学物理、化学和药学系终身副教授吴昌柱带领团队使用具有生物相容性的聚多巴胺包覆活大肠杆菌，制备出一种可以承受紫外线辐射、高温和有机溶剂的人造孢子。此外，该人造孢子展示出极强的界面生物催化能力，并且能够通过与金属催化剂相结合，将界面系统扩展到化学酶合成，因而为下一代细胞工厂的构建奠定坚实的基础。
相关论文以《人工孢子化大肠杆菌细胞作为界面生物催化的强大细胞工厂》（Artificially sporulated Escherichia coli cells as a robust cell factory for interfacial biocatalysis）为题发表在 Nature Communications 上，吴昌柱担任通讯作者，南丹麦大学物理、化学和药学系孙志勇为第一作者 [1]。
据了解，吴昌柱团队一直专注于生物催化在有机合成中的应用研究，包括构建聚合物的乳液体系、功能化聚合物基乳液体系、基于修饰/固定化酶的界面生物催化等工作。此次，他们鉴于全细胞催化的优势，思考如何进一步推进从酶到全细胞的应用，尤其是在乳液界面催化方向。
当前，以全细胞为催化剂合成出的高附加值精细化学品以及药物中间体等。相比于传统的酶催化，全细胞催化可以避免酶的纯化分离，从而有效降低生物催化剂的成本。此外，细胞为酶提供了一个最天然的环境，且细胞膜会给酶提供一定的保护作用，这些都有利于维持酶的催化活性。
然而，由于细胞只能在水相中生成，而有机底物的水溶性又极其有限，实际全细胞催化过程中的空时产率往往不够理想。引入有机相与水组成两相体系可以帮助增大底物溶解性，但有机溶剂会造成细胞死亡，从而影响内部酶的活性及稳定性；而且，两相体系中的界面面积有限，会降低催化剂与底物的接触机率，二次影响到整体催化效率。
为解决上述问题，该团队一方面尝试采用乳液体系提升两相的界面面积，增大底物与催化剂的接触机率；另一方面，他们通过模拟天然细菌孢子，以保护性的材料包裹细菌来帮助其抵御各种外界压力，同时维持细胞代谢活力以及酶的活性，从而提升整体的全细胞催化效率。
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华人科学家基于大肠杆菌构建防御性人造孢子，可帮助构建界面生物催化的强大细胞工厂
在生物学 中，细胞已经进化出针对不利环境的防御机制。例如，细菌孢子可以屏蔽紫外线辐射和化学攻击，以保护 DNA 机制，因此可被用于实现持久的全细胞催化。然而，天然细菌孢子本身受到少数可用微生物及其代谢休眠和酶活性降低的限制，这激发了人造孢子的发展，但迄今为止开发的人造孢子仅限于具有天然内源性酶的几种微生物，未能成为广泛通用的合成平台。
近日，南丹麦大学物理、化学和药学系终身副教授吴昌柱带领团队使用具有生物相容性的聚多巴胺包覆活大肠杆菌，制备出一种可以承受紫外线辐射、高温和有机溶剂的人造孢子。此外，该人造孢子展示出极强的界面生物催化能力，并且能够通过与金属催化剂相结合，将界面系统扩展到化学酶合成，因而为下一代细胞工厂的构建奠定坚实的基础。
相关论文以《人工孢子化大肠杆菌细胞作为界面生物催化的强大细胞工厂》（Artificially sporulated Escherichia coli cells as a robust cell factory for interfacial biocatalysis）为题发表在 Nature Communications 上，吴昌柱担任通讯作者，南丹麦大学物理、化学和药学系孙志勇为第一作者 [1]。
据了解，吴昌柱团队一直专注于生物催化在有机合成中的应用研究，包括构建聚合物的乳液体系、功能化聚合物基乳液体系、基于修饰/固定化酶的界面生物催化等工作。此次，他们鉴于全细胞催化的优势，思考如何进一步推进从酶到全细胞的应用，尤其是在乳液界面催化方向。
当前，以全细胞为催化剂合成出的高附加值精细化学品以及药物中间体等。相比于传统的酶催化，全细胞催化可以避免酶的纯化分离，从而有效降低生物催化剂的成本。此外，细胞为酶提供了一个最天然的环境，且细胞膜会给酶提供一定的保护作用，这些都有利于维持酶的催化活性。
然而，由于细胞只能在水相中生成，而有机底物的水溶性又极其有限，实际全细胞催化过程中的空时产率往往不够理想。引入有机相与水组成两相体系可以帮助增大底物溶解性，但有机溶剂会造成细胞死亡，从而影响内部酶的活性及稳定性；而且，两相体系中的界面面积有限，会降低催化剂与底物的接触机率，二次影响到整体催化效率。
为解决上述问题，该团队一方面尝试采用乳液体系提升两相的界面面积，增大底物与催化剂的接触机率；另一方面，他们通过模拟天然细菌孢子，以保护性的材料包裹细菌来帮助其抵御各种外界压力，同时维持细胞代谢活力以及酶的活性，从而提升整体的全细胞催化效率。
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华人科学家基于大肠杆菌构建防御性人造孢子，可帮助构建界面生物催化的强大细胞工厂
