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研究背景

细胞膜作为生物体内重要的界面，因其在催化、物质转运等方面的关键作用，广泛应用于生物催化、医药和环境治理等领域。与传统的催化材料相比，天然细胞膜内的生物大分子催化剂具有较强的催化活性和生物相容性，能够在细胞内外进行复杂的酶促反应。然而，天然生物催化剂通常只适用于特定的生物过程，其种类和功能的限制使其难以满足工业化催化的需求，尤其是在环境压力和催化效率方面仍面临许多挑战。

为了解决这些问题，近年来，研究者们提出了将合成聚合物与细胞膜结合的策略，旨在提高催化剂的稳定性和催化活性。合成聚合物由于其优异的结构可调性和稳定性，能够在恶劣环境下保持较好的催化功能，同时提供对细胞的保护，避免其受到紫外线辐射、有机溶剂和高温等环境压力的影响。这一策略为生物催化提供了新的思路，特别是在需要高稳定性和可回收性的工业催化过程中具有广泛的应用前景。

成果简介

有鉴于此，南丹麦大学吴昌柱教授团队在Nature Catalysis期刊上发表了题为“Engineering living cells with polymers for recyclable photoenzymatic catalysis”的最新论文。

该团队通过原位原子转移自由基聚合（ATRP）方法，将催化聚合物成功地嫁接到大肠埃希氏菌（E. coli）细胞表面，实现了合成催化聚合物与细胞内酶的结合。利用这一策略，研究人员显著提高了催化剂的稳定性和活性，成功实现了苄醇到苄醇的高效转化，并取得了比对照组高出15倍的生物转化产率。

此外，细胞作为生物支架，还能使聚合物催化剂实现回收，进一步提高了催化过程的可持续性和经济性。这一研究为细胞膜工程化催化系统的开发提供了新的技术平台，推动了合成化学、聚合物化学和生物技术领域的进步。

研究亮点

1. 实验首次将合成催化聚合物与细胞膜结合，通过原位原子转移自由基聚合（ATRP）方法在活细胞上进行聚合，成功实现了细胞膜的工程化改造，得到了一种具有催化功能的聚合物保护层。

2. 实验通过聚合物与细胞内酶的整合，促进了化学酶联合反应的进行，展示了一个光酶联级联反应，使用蒽醌基聚合物和苯甲醛裂解酶，将苄醇转化为苄醇，并实现了比对照组高出15倍的生物转化产率。

3. 实验通过细胞作为生物支架，将催化聚合物结合到细胞膜上，展示了细胞能够有效地保护聚合物催化剂免受环境压力，同时促进催化反应，提高了系统的稳定性和效率。

图文解读

图1.聚合物接枝细胞的制造及其在化学酶级联中的应用

图2: 接枝聚合物的表征及其在细胞表面的分布。

图3: 聚合物接枝的大肠杆菌细胞的生存力和增殖研究。

图4: 聚合物接枝的大肠杆菌细胞中，光催化剂和生物催化剂的相容性评价。

图5:针对外部应力环境的聚合物保护。

图6:聚合物接枝的大肠杆菌细胞的光酶级联。

图7:聚合物接枝的大肠杆菌细胞的化学酶级联研究。

结论展望

本文提出了一种原理验证策略，通过将合成大分子集成到细胞膜上，化学工程化大肠埃希氏菌细胞，为新型应用开辟了道路。该整合通过生物兼容的原子转移自由基聚合（ATRP）过程实现，将聚合物接枝到细胞表面，确保细胞在各种环境压力下得到强有力的保护。

更广泛地说，这项原理验证研究展示了一种简便的平台技术，能够化学工程化细胞，并允许将其他细胞与聚合物结合，以应对生物医学和生物转化领域的挑战。此外，利用该方法的简便性和保护性，我们探索了聚合物接枝细胞在化学酶联催化中的应用。在这一环境下，我们将两种聚合物催化剂与三种过表达的酶结合，在细胞内实现增值的非对称合成，涵盖了从单一反应到多步级联反应的广泛应用。

此外，细胞还充当聚合物催化剂的生物支架，促进催化剂的高效回收。通过这些成功的示范，我们预见到，聚合物工程策略能够进一步优化，成为可回收化学酶联催化的通用方法，为可持续化学的发展做出贡献。

文献信息

Ning, J., Sun, Z., Hübner, R. et al. Engineering living cells with polymers for recyclable photoenzymatic catalysis. Nat Catal (2024).

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/12/17/5d0419d979/

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