华人学者为大肠杆菌披上“超人斗篷”，提高催化效率和可持续

从啤酒到生物柴油，再到胰岛素和肥料，细菌正在用它们的催化能力为工业生产贡献力量。但它也带来了重大挑战，该过程需要大量能源，并且通常涉及刺激性溶剂；此外，生产中使用的细菌寿命有限，必须经常更换，这增加了成本和对环境的影响。

面对这些挑战，南丹麦大学吴昌柱教授团队提出了一种解决方案。他们的研究通过创新的化学修饰，将普通的大肠杆菌变成了能够适应极端环境且高效催化化学反应的“超级细菌”。这种改造不仅大幅降低了工业生产中的能源成本，还为提升微生物催化的可持续性提供了新的途径。这项成果发表在 Nature Catalysis 上，题为“Engineering living cells with polymers for recyclable photoenzymatic catalysis”。

吴昌柱教授及其团队专注于酶催化与绿色化学研究，其研究重点是通过对酶及细胞的化学修饰获得 new-to-nature 的生物催化应用，旨在解决现有工业生物催化系统的瓶颈，比如酶在极端环境中易失活、大肠杆菌在工业应用中的耐受性不足等问题。

在这项研究中，团队选取常见的工业细菌大肠杆菌，并给它披上“超人斗篷”，以增强其催化能力。

在研发“超人斗篷”的过程中，团队寻求一种能够包裹细菌的材料，同时仍允许细菌与周围环境相互作用，进行所需的复杂化学反应。

团队采用“原子转移自由基聚合”（ATRP）技术，将功能性聚合物直接构建在大肠杆菌表面，保护其免受环境压力的影响。这一过程分两步完成：第一步通过化学反应，将引发剂（NHS 酯基团）结合到细菌表面，形成稳定的酰胺键。在引发剂修饰的细胞表面引入单体（例如含蒽醌基团的 M1），在催化剂的作用下进行聚合。紫外-可见光谱分析显示，修饰后细胞的吸收峰（328 nm）显著增强，且吸收强度随单体浓度增加而提高，表明聚合物负载量可调。这些结果表明，聚合物均匀覆盖在细菌表面，并能通过调节单体用量实现精准控制。

图 | 利用催化活性聚合物对大肠杆菌细胞进行修饰的策略示意图

经过聚合物修饰后的细菌表面疏水性提高，表面电位从−42 mV 变为 −5 mV。这些变化显著增强了细菌对酸性、有机溶剂和紫外线等恶劣环境的耐受性，并且修饰后细菌的存活率依然保持在 96% 以上，证明聚合过程具有良好的生物相容性。

“我们实际上是将聚合物“嫁接”到大肠杆菌的细胞膜上，取得了两个重要的成果：首先，细菌变得更强大、更高效，可以更快地进行复杂的化学反应。其次，细菌得到了更好的保护，可以多次使用。所以，这是一种更可持续的‘超人细菌’。” 吴昌柱表示。

图 | 原始细胞(a)引发剂修饰细胞(b)和聚合物接枝细胞(c)的活/死测定图像（来源：上述论文）

另外，研究团队通过在大肠杆菌表面引入光催化剂和细胞内酶，构建了一个高效的光酶催化系统。这种系统能够在光照条件下完成复杂的级联反应，例如将苄醇转化为苄醛，再进一步合成苯偶姻。通过将光催化聚合物（P1）与细胞内的苯甲醛裂合酶（BAL）结合，实验实现了高效的两步级联反应。结果显示，改造后的细菌在苯偶姻合成中的产率达到 18 mM，是未改造细菌的 15 倍。通过常规的离心和过滤技术，该系统能够轻松回收，并在循环使用 6 次后仍保持 100% 的催化活性。荧光显微镜分析显示，光催化聚合物在多次使用后依然牢固地附着在细菌表面。这种可循环光酶催化系统展现出其在高效和可持续化学反应中的巨大潜力。

图 | 光催化剂反应曲线显示不同系统中苯甲醛的产量随时间的变化（来源：上述论文）

除了光催化，研究团队还探索了将化学催化剂与细菌酶结合的化学酶催化系统。他们通过在大肠杆菌表面构建含金属钌（Ru）的化学催化聚合物（P2），实现了复杂化学反应的多步级联催化。研究团队以 α-甲基苯乙胺为底物，利用细胞内转氨酶（ATA）催化将其转化为苯乙酮，再通过表面化学催化剂将产物还原为手性醇。实验结果显示，改造细菌的最终产物浓度达到 25 mM，而未改造系统的产物浓度不到 1 mM。通过紫外-可见光谱和透射电子显微镜（TEM）验证，钌基化学催化剂在多次使用后几乎无流失（流失率低于 0.1%）。此外，细菌的生物相容性和结构稳定性在催化过程后依旧保持良好。并且该化学酶催化系统在 6 次循环使用后，催化活性仅略有下降（仍保持 95% 以上），充分证明了其在工业应用中的实用性。

图 | 聚合物接枝细胞在化学酶级联反应中的应用（来源：上述论文）

这项研究开发的这种可循环利用的光酶催化和化学酶催化系统，通过在细菌表面构建功能性聚合物，实现了常温常压下的催化反应，显著降低了能源消耗和环境污染。聚合物修饰增强了酶的稳定性，使其在极端环境下仍能保持高效催化活性，尤其在两步和多步级联反应中，效率提升超过 15 倍。此外，催化剂的高效回收和重复使用降低了成本，延长了使用寿命，为化工、制药、环境修复、材料科学和能源等领域提供了更高效、环保的生产途径。

吴昌柱团队的这项研究不仅为工业微生物学和绿色化学开辟了新路径，也为未来的环境保护、能源利用及生物催化领域带来了无限可能。随着技术的进一步优化，我们有理由相信，这一技术将在全球范围内推动更多绿色和可持续的化学生产进程。

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