从体内到体外：多酶催化系统的仿生构建

生物体内发生着各种各样的复杂化学反应（如光合过程、呼吸过程等），而生物酶通过隔室化策略和底物通道策略有效保证了这一系列复杂化学反应高效、有序地进行。如何模仿生物体内这种高效的催化机制，将其应用于化学品转化、材料合成和能源物质合成，是催化领域的关键挑战之一。近日，天津大学姜忠义教授（点击查看介绍）（通讯作者）和石家福副教授（点击查看介绍）（第一作者）合作在Chemical Society Review上撰写题为“Bioinspired Construction of Multi-Enzyme Catalytic Systems”的综述，介绍了多酶催化系统的仿生构建及其应用。

多酶催化系统通过级联反应合成高附加值的化学品、材料或燃料，构建起单酶催化和细胞催化的桥梁。为实现多酶催化反应高效、有序进行，生物体发展出隔室化和底物通道两大策略，分别保证了多酶催化反应的稳定性和高效性（图1）。隔室化策略是指通过半透膜将多酶限制在膜内隔室中，保护酶分子不受外部因素攻击（如蛋白酶、小分子抑制剂等），提高酶分子稳定性的方法。底物通道策略是指通过分子链或特定相互作用，形成分子或纳米级通道，促进中间产物在酶分子间的传递，获得多酶催化级联反应超高催化活性的方法。

图1. 多酶催化系统仿生构建策略：隔室化和底物通道。

受生物体内多酶催化构建策略的启发，研究者构建了一系列多酶催化系统。基于隔室化思想，先后实现了多酶随机分布隔室化（图2a）和多酶有序分布隔室化（图2b），用于CO₂转化，尿酸检测，葡萄糖氧化等一系列催化反应。如图2c所示，通过多酶有序分布隔室化，将甲酸脱氢酶（F_ateDH）、甲醛脱氢酶（F_aldDH）和醇脱氢酶（ADH）依次固定在囊腔内、囊壁内侧和囊壁外侧，实现了CO₂由囊腔内至囊腔外依次转化为甲酸、甲醛和甲醇。甲醇产率达到游离多酶系统的2倍，储存和循环稳定性得到很大提升。

图2.（a）多酶随机分布隔室化和（b）多酶有序分布隔室化；（c）多酶有序分布隔室化实现CO₂转化为甲醇。

基于底物通道思想，构建了邻近模型（图3a）和化学摆臂底物通道（图3b）等，用于木糖转化，甲醇氧化和葡萄糖氧化等，实现了酶促反应在体外的高效进行。如图3c所示，将6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6pDH）和苹果酸脱氢酶（MDH）固定化在DNA骨架上，利用化学摆臂接枝NADH促进氢负离子在酶分子间的传递，级联反应的催化活性相比于游离NADH提升了91倍。此外，研究者将隔室化与底物通道在体外结合，构建多酶催化系统，实现了稳定性和催化活性的协同提升。

图3. （a）邻近模型和（b）化学摆臂底物通道构建多酶催化系统；（c）化学摆臂底物通道实现6-磷酸葡萄糖转化为苹果酸。

最后，本文对多酶催化系统的材料、构建方法和应用方向进行了总结。通过对多酶催化机制的探索，将其应用于体外生物催化、化学催化等领域，对实现级联反应高效有序的进行具有深远的指导意义。

该论文作者为：Jiafu Shi, Yizhou Wu, Shaohua Zhang, Yu Tian, Dong Yang, Zhongyi Jiang*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Bioinspired construction of multi-enzyme catalytic systems

Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 4295-4313, DOI: 10.1039/C7CS00914C

姜忠义教授简介

专业：化学工艺/生物化工

研究方向：仿生与生物启发下的膜和膜过程、绿色催化过程

姜忠义，天津大学化工学院教授，1994年于天津大学取得博士学位，毕业后就职于天津大学。1997年和2009年分别在明尼苏达大学和加州理工学院进行访问交流，国家杰出青年科学基金获得者，国家万人计划科技创新领军人才。科技部创新人才推进计划重点领域创新团队负责人，英国皇家化学会会士（Fellow of RSC）。在Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Advanced Funcitonal Materials、ACS Nano、ACS Catalysis、Journal of Membrane Science 等期刊发表SCI论文430余篇，总引用次数超过12000次，H因子58。承担国家重点研发计划项目、863重大项目课题、国家自然科学基金重大项目课题、国家自然科学基金重点项目等项目多项。获省部级科技奖励一等奖2项。在美国麻省理工学院、加州理工学院、佐治亚理工学院，中科院过程所、美国UOP公司、Gorden会议、AIChE年会等国内外高校、公司或研究机构做报告40余次。

邮箱：zhyjiang@tju.edu.cn

http://www.x-mol.com/university/faculty/13315

石家福副教授简介

专业：环境科学/化学工艺/生物化工

研究方向：生物催化与一碳生物化工、生物质基功能材料的开发及其在环境领域的应用

石家福，天津大学环境科学与工程学院副教授，2013年于天津大学取得博士学位，毕业后就职于天津大学。2016年在美国加州大学伯克利分校进行访问交流。在Chemical Society Reviews、Chem、Advanced Functional Materials、ACS Catalysis、ACS Applied Materials & Interfaces 等化学、材料、能源环境类学术期刊等发表SCI论文70余篇，SCI他引1200余次，H因子21；承担国家级、省部级项目多项；获天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才称号、天津市优秀博士学位论文奖、中国石油和化学工业联合会科技进步奖等；在加州大学伯克利分校、AIChE年会等高校或学术会议做报告若干次。

邮箱：shijiafu@tju.edu.cn

http://www.x-mol.com/university/faculty/44777