近日，上海科技大学物质学院化学与物理生物学研究部李健课题组利用合成生物学、化学及材料科学等多学科交叉技术开发出高效的界面级联生物催化体系，相关成果在线发表于国际知名学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
前期研究中，李健课题组利用合成生物学等技术实现了蛋白质-高分子聚合物的缀合物（protein-polymer conjugates）可控制备，通过在蛋白质特定位点上耦合聚合物，可最大程度地保护目标蛋白（如酶）的催化功能，实现了催化材料“即插即用”的可调性功能（ACS Catalysis, 2022, 12, 4165–4174）。
在此基础上，李健课题组进一步拓展酶-聚合物缀合物的应用场景，制备了基于酶-聚合物的皮克林（Pickering）乳液，这些缀合物在乳液界面上既起到稳定作用，也起到催化作用，显著克服了传统方法制备酶-聚合物时所存在的偶联位点非特异性和不可控性等局限，可有效保护酶活性，提升界面生物催化效率。同时，为避免多个级联酶的体内表达纯化，在Pickering乳液中利用无细胞蛋白表达体系，可灵活快速的合成目标酶，以构建级联生物催化（图1）。
图1 (a) 基于酶-聚合物的Pickering乳液制备过程示意图。(b) 级联生物催化反应。
研究人员选取苯甲醛裂解酶（benzaldehyde lyase，BAL）为骨架蛋白，在其2号氨基酸位点上定点引入非天然氨基酸（BibaF）、为诱发位点与聚苯乙烯（polystyrene, PS）进行耦合，制备出不同的BAL-PS耦合物。多种表征手段和酶活力验证表明BAL-PS具备良好的乳化性能和界面催化活性。将无细胞蛋白表达体系引入乳液水相后发现体系可对不同酶进行快速表达，这些酶无需纯化，即可原位与乳液界面上的BAL酶进行级联催化，实现了目标产物的高效合成（图2）。
图2 (a) Pickering乳液中无细胞蛋白表达验证。(b, c) 无细胞表达酶用于级联生物催化。
本研究构建的界面级联生物催化体系具有双重优势：一是克服了传统方法制备酶-聚合物时对酶活的损害，通过在酶特定位点的精准耦合最大程度地保护了酶活性；二是无需对酶进行体内表达与纯化，所采用的无细胞蛋白表达体系可以灵活快速地按需合成目的酶，实现原位级联催化。本体系综合了Pickering乳液界面催化、蛋白精准修饰和无细胞表达等技术优势，为构建面向高价值化合物合成的高效的生物级联转化用于合成高价值化合物提供了新思路。