近日，中國海洋大學美獅會姜帥教授團隊聯(lián)合德國馬普高分子所Katharina Landfester教授，在國際期刊Science Advances發(fā)表題為“Integrating incompatible tandem photobiocatalysis in artificial cells enables metabolic modulation of natural cells”（在人工細胞中整合不相容的光-生物級聯(lián)催化實現(xiàn)對天然細胞代謝的調(diào)控）的最新研究成果。

近年來，研究人員已開發(fā)出多種模擬天然細胞結(jié)構(gòu)與復雜生命過程的仿生系統(tǒng)，包括基于脂質(zhì)體、聚合物囊泡、水凝膠以及液液相分離凝聚體構(gòu)建的人工細胞和人工細胞器。然而，在這些系統(tǒng)中高效維持生物催化反應(yīng)仍面臨重大挑戰(zhàn)，其核心問題之一在于如何持續(xù)再生和供應(yīng)輔酶，這也是活細胞維持生物功能的基礎(chǔ)。尤其是氧化型輔酶NAD?（β-煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADP?（β-煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）在生物體內(nèi)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，常作為脫氫酶催化底物轉(zhuǎn)化的重要電子受體。盡管近年來在酶法、化學法、酶化學協(xié)同法及電化學等輔因子再生策略方面取得了諸多進展，但因組分復雜、反應(yīng)條件與生物系統(tǒng)不兼容以及有機溶劑的使用等原因，導致其在生物系統(tǒng)中的實際應(yīng)用仍面臨重要挑戰(zhàn)。

可見光光催化作為一種在溫和條件下選擇性催化反應(yīng)的方法，顯示出在合成生物系統(tǒng)中用于輔因子再生的巨大潛力。將光催化與生物催化相結(jié)合，有望突破傳統(tǒng)難以實現(xiàn)的反應(yīng)路徑。然而，光催化過程中產(chǎn)生的活性氧（ROS）會導致酶失活，造成兼容性問題，限制了光-生物催化反應(yīng)的拓展應(yīng)用。為避免酶因暴露于ROS而失活，需將光催化劑與酶在空間上進行物理分隔，構(gòu)建類似亞細胞分區(qū)的結(jié)構(gòu)，從而利用ROS壽命極短的特性，在其擴散至酶作用區(qū)域之前將其轉(zhuǎn)化為無害狀態(tài)。學校研究團隊設(shè)計了具有亞細胞分區(qū)結(jié)構(gòu)的人工細胞。該體系將兩種不兼容的催化模塊（光催化輔因子再生系統(tǒng)與生物催化酒精代謝系統(tǒng)），分別封裝于獨立的人工納米細胞器內(nèi)。通過這種層級化分區(qū)策略，人工細胞實現(xiàn)了納米細胞器之間的亞細胞級協(xié)同與信號傳遞，同時有效避免了模塊間的相互干擾。該光-生物催化人工細胞與肝細胞共培養(yǎng)時，表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，并在體外實驗中顯著緩解了酒精及乙醛引起的肝細胞氧化應(yīng)激。研究結(jié)果證實可以將不兼容的光-酶催化過程在人工細胞空間內(nèi)高效可控整合，實現(xiàn)對天然細胞代謝的有效調(diào)控。該策略不僅為設(shè)計新型化學轉(zhuǎn)化過程提供了新思路，也拓展了人工細胞在化學合成、合成生物學及生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖1 人工細胞調(diào)節(jié)天然細胞代謝示意圖

德國馬普高分子所為該論文的第一單位，中國海洋大學美獅會姜帥教授和馬普高分子所Katharina Landfester教授為共同通訊作者，馬普-海大聯(lián)合培養(yǎng)博士生王志成（海大碩士畢業(yè)生）為第一作者，相關(guān)工作得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金等項目的支持。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu4828