【纳米】细胞内的纳米生物合成器学术资讯

来源：X一MOL资讯

近年来，具有抗氧化等作用的天然产品愈受大众喜爱，如何提高此类产品的产量成为科学家们炙手可热的话题。相比于传统的化学合成方法，生物合成方法显得更加环保。它不仅可以利用简单而可再生的资源作为原始材料，大大减少了对于有机溶剂的依赖性，还可以用于合成一些具有复杂结构的天然衍生物。那么，我们可以怎么透过生物合成的方法，而提高制备功能性天然产品的产量呢？近日，香港中文大学的夏江教授带领的研究团队设计和构建了基于人造蛋白支架的共价酶复合物，并将这种复合物应用到细菌体内，形成纳米生物合成器，实现了对类胡萝卜素生物合成途径的控制，大大提高了番茄红素和虾青素的产量。

在自然界中，细胞可利用具有精妙结构的蛋白复合物来调控生物合成途径。这些多酶复合物拉近了催化连续反应酶与酶之间的距离，有效防止平行反应或竞争反应之间的相互干扰，中间产物的扩散损失，以及毒物的积累，从而提高了合成的产率。生物工程师们利用非共价生物的相互作用，在细胞中设计了多酶复合物，以协同异源生物的合成，改变了细胞内代谢的通路，显著提高了甲羟戊酸、葡糖二酸、白藜芦醇、儿茶素、丁酸盐和氢醌等有价值产品的产量。然而，尽管在实际应用中取得了如此巨大的成功，此类多酶复合物的结构尚未被揭露，它们是如何进行组装的机理也仍然有待研究。高度稳定的组件是使复合物经纯化步骤的先决条件，上述用于酶组装的蛋白蛋白相互作用恰恰不符合此项要求。这类复合物在脱离细胞的情况下变得十分脆弱，而其可逆作用更会产生具有不同结构或形状组成的复合物，对体外鉴定分析造成很大影响。

鉴于此限制，研究者利用正交蛋白质反应（SpyCatcher / SpyTag和SnoopCatcher / SnoopTag），将酶通过支架连接形成稳定的共价复合物。类胡萝卜素的生物合成中，上游的甲羟戊酸途径因为限速酶的限制，而无法为下游合成提供足够的前提条件。因此，将这途径中参与三步级联反应的酶（甲羟戊酸生物合成途径中的三个关键酶），通过上述人造蛋白支架，连接形成蛋白复合物，精确调控酶的排列和化学计量比，突破了限速步的瓶颈，进而提高了整条途径的代谢量。经过分析，通过运用此多酶复合物，番茄红素和虾青素的产量分别提高了五倍和两倍。值得注意的是，此复合物呈现了非常有趣的椭圆形纳米结构，直径大约25纳米，并且具有中空的内部空间，均匀的厚度和形状。

不同比例的多酶复合物的设计和构建的示意图

多酶复合物的结构

总而言之，细胞内共价酶组装产生了纳米级生物催化合成器，其大大增加了体内类胡萝卜素生物合成的通量。这些研究也加深了我们对体内分级酶组装复杂性的理解，也为人工合成无膜细胞器打下了基础。

这一成果近期发表在ACS Nano上，文章的第一作者是香港中文大学博士研究生屈嘉乐。武汉大学刘天罡教授团队、香港城市大学张亮教授团队、中科院生物物理所孙飞教授团队参与了此工作。

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