合成生物学

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2024, 5(6): 0.

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生物制造助力发展新质生产力

刘建明, 张以恒, 曾安平

2024, 5(6): 1227-1230. doi:10.12211/2096-8280.2024-077

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中国哲学思想“道法术器”对生物制造的启示

张以恒

2024, 5(6): 1231-1241. doi:10.12211/2096-8280.2023-066

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生物制造是利用生物体（如植物、动物、微生物、酶、体外多酶分子机器等）的机能进行物质加工与合成的绿色生产方式，将在能源、农业、化工和医药等领域改变世界工业制造格局，是科技战必争之地。作者应用中国古代哲学的“道、法、术、器”思想“道以明向，法以立本，术以立策，器以成事”，对工业生物制造的道与法进行解释与剖析，阐明顶层设计对生物制造的哲学指导意义。以美国合成生物学先驱公司Amyris为例，作者分析与讨论该公司产品选择以及隐含“道与法”，尽管该公司具有优秀“术与器”，但是走错道与不懂法决定该公司的失败命运。同时，作者简单地讨论两个人工淀粉合成技术的经济可能性与未来技术研发方向。总之，中国古代哲学思想“大道至简，从上而下，以道御术”，将对工业生物制造的未来发展提供顶层设计方法学上的启发与指导，将更有效地应对粮食安全、双碳目标与可持续发展等重大挑战。

综合利用木质纤维素生物转化合成有机酸

柴猛, 王风清, 魏东芝

2024, 5(6): 1242-1263. doi:10.12211/2096-8280.2024-011

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开发环境友好型的生物可降解材料，被公认为是解决“白色污染”的重要途径。作为制备生物可降解材料的主要原料之一，有机酸的绿色高效制造备受关注。木质纤维素是储量庞大且可再生的自然资源，以木质纤维素为原料，通过生物转化的方式生产有机酸，是发展绿色可降解生物基材料的理想途径，具有过程绿色低碳的优势，符合绿色可持续发展经济的需求。近年来，人们针对木质纤维素的生物炼制开展了大量研究，并在生物转化合成有机酸等领域取得了重要进展，特别是在高产有机酸微生物细胞工厂的设计开发上不断取得突破，使得生物基有机酸的生产水平屡创新高，丁二酸等品种的产量甚至突破了150 g/L，积极推动了生物基可降解材料产业的形成和发展。本文介绍了木质纤维素的组分并总结了木质纤维素的物理预处理法、化学预处理法、生物预处理法、物理-化学共处理法和化学-生物共处理法等多种预处理技术，以及抑制物的脱毒技术、还原催化分馏工艺、催化剂的回收、偶联木质纤维素水解和发酵的制造工艺。并以木质纤维素为原料合成的高价值有机酸（丁二酸、3-羟基丙酸、黏康酸、2，5-呋喃二甲酸和2-吡喃酮-4，6-二羧酸）为例，从这些有机酸的生物合成途径，合成生物学改造策略和发酵条件优化等角度探讨了这些有机酸的研究现状。最后，对当前生物可降解材料产业链的发展趋势进行了总结和展望，讨论了开发新型预处理技术和优化联合生物处理工艺等策略对木质纤维素组分解离和利用的重要意义，并从提高微生物细胞工厂的鲁棒性以及设计木质纤维素的综合转化途径等方面进行系统分析，以期能为有机酸的工业化生产提供参考。

木质素的生物降解和生物利用

刘宽庆, 张以恒

2024, 5(6): 1264-1278. doi:10.12211/2096-8280.2023-062

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木质素是木质纤维素的主要成分之一，按干重计约占15%～30%，全球年产量约200亿吨。木质素是由苯丙烷单元通过多种不同的碳碳键和碳氧键构成的一类芳香族高聚化合物，是高等陆生植物次生细胞壁的主要成分，赋予了植物刚性并保护植物体免受微生物的入侵。由于木质素产量巨大、可再生，近些年全球对木质素利用的兴趣持续升高。但是木质素的成分复杂，无论是其降解还是后续的利用都充满了挑战，因此目前多用作燃料。在众多木质素降解利用的方法中，生物法反应条件温和、绿色环保，近些年在绿色可持续发展的大背景下受到广泛关注。本文介绍了自然界中催化木质素降解的关键酶：漆酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶、染料脱色过氧化物酶、多功能过氧化物酶等，同时简要介绍了其催化机制。并总结了生物利用木质素类芳香族化合物过程中涉及的四个主要反应：O-脱甲基、脱羧、羟基化和双加氧酶介导的开环反应，以及相关的酶和催化机制。最后，简要介绍了利用合成生物学手段构建细胞工厂实现木质素高值利用的案例。木质素的生物降解和利用是一个极具潜力的领域，同时也存在诸多的挑战，例如转化效率低、反应时间长等。但相信随着合成生物学的迅猛发展，利用高效基因编辑和代谢工程改造提高关键酶的反应速率和代谢通路的效率、提高底盘细胞对有毒芳香族化合物的抵抗能力、维持还原力的平衡等，将有效提高木质素生物降解利用的效率，其工业应用也许在不久的将来就会实现。

几丁质资源生物降解和高值转化的研究进展

张阿磊, 魏国光, 张弛, 陈磊, 周奚, 刘伟, 陈可泉

2024, 5(6): 1279-1299. doi:10.12211/2096-8280.2024-041

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几丁质是由N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）通过β-1，4-糖苷键构成的高分子聚合物，是地球上储量最丰富的含氮生物质资源，在自然界分布广泛，主要存在于虾蟹外壳、昆虫外骨骼和真菌细胞壁中。由于几丁质含量巨大、可再生，特别是含有珍贵的氮元素，其资源化利用一直受到广泛关注。然而几丁质结构中丰富的氢键作用力与巨大的分子量，赋予了其高结晶度和不溶于水的特性，导致其降解和高值化利用受到挑战，因此常被作为垃圾丢弃或掩埋，污染环境的同时浪费资源。在几丁质降解利用的众多方法中，生物法因过程环保、反应条件温和等优点，在绿色可持续发展的大背景下展现出巨大潜力。本文首先系统介绍了自然界中催化几丁质降解关键酶的来源与分类、催化机制及特性。其次综述了生物法降解几丁质为单糖（GlcNAc和氨基葡萄糖）和寡糖（几丁寡糖和壳寡糖），以及进一步生物转化合成含氮化合物的现状。最后阐述了几丁质生物降解和高值转化过程中所面临的几丁质降解与转化酶活性低、效率差及成本高昂等诸多挑战，展望了发展迅速的合成生物学在几丁质生物转化中的重要作用，这将为几丁质资源的高效生物炼制提供助力。

生物转化一碳化合物原料产油脂与单细胞蛋白研究进展

赵亮, 李振帅, 付丽平, 吕明, 王士安, 张全, 刘立成, 李福利, 刘自勇

2024, 5(6): 1300-1318. doi:10.12211/2096-8280.2024-013

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一碳化合物是一类产生于自然界或工业过程中的液态或气态物质，其具有来源广泛、价格低廉、可持续生产的优势，有望成为新一代生物制造关键原料，包括液态的甲醇、甲酸，以及气态的CO₂、CO、CH₄等。在生物制造蓬勃发展的背景下，通过合成生物学手段改造微生物，使之利用一碳化合物高效生产油脂与单细胞蛋白等高附加值产品，降低对粮食、化石资源进口的依赖，成为缓解粮食能源危机的有效战略举措。本文综述了甲基营养型微生物、产乙酸菌以及酵母等微生物通过代谢途径、底盘遗传改造等方法，将一碳化合物转化为高附加值油脂与单细胞蛋白的最新研究进展；介绍了一些通过发酵工艺控制优化分子工程菌株利用一碳化合物的相关研究；同时收集了部分一碳化合物转化相关研究机构或企业的产业化案例。最后，针对一碳化合物利用菌株的代谢通路设计与遗传工具存在的限制问题，以及产乙酸菌与产油微生物之间的能量转化矛盾，展望了未来生物制造油脂与单细胞蛋白的前景和面临的挑战，提出在复杂系统性的生物制造过程中，发展多学科交叉的高效系统集成发酵，以期对一碳化合物的生物转化研究产生推动作用，为攻克目前存在的理论与实践难题提供新思路，并对实际应用与产业化发展提供参考。

酶促合成手性氨基酸的研究进展

王子渊, 杨立荣, 吴坚平, 郑文隆

2024, 5(6): 1319-1349. doi:10.12211/2096-8280.2024-015

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手性氨基酸是一类重要的高价值化学品，广泛应用于食品、医药、化工、农药等多个领域。手性氨基酸常用的制备方法可以分为四类，包括化学合成、蛋白质水解、发酵和酶促合成。其中，酶促合成手性氨基酸以其反应条件温和、立体选择性高、步骤简单、应用范围广等优势备受关注。近年来，得益于生物信息学和蛋白质工程等技术的快速发展，大量性能优异的酶制剂被开发，并成功应用于多种手性氨基酸的制备。本文重点综述了酶促不对称合成和去消旋化合成两种路径在手性氨基酸合成中的应用，包括关键酶制剂氨基酸脱氢酶、转氨酶、氨裂解酶、醛缩酶、氨基酸氧化酶、氨基酸脱氨酶等的开发与改造，及其在草铵膦、叔亮氨酸、西格列汀中间体等高价值手性氨基酸合成中的应用。同时，总结了酶促合成手性氨基酸领域面临的主要困境，如关键酶元件缺乏，以及野生酶非对映体选择性低、底物谱窄、催化活性低、稳定性差、反应条件局限等。最后，展望了自动化实验装置、机器学习和人工智能等前沿技术在酶改造领域的应用，以及通过反应器设计和反应过程控制，开发更为高效和环境友好的催化工艺，推动酶促合成手性氨基酸技术更广泛的工业应用。

ω-氨基酸与内酰胺的生物合成研究进展

刘益宁, 蒲伟, 杨金星, 王钰

2024, 5(6): 1350-1366. doi:10.12211/2096-8280.2024-019

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以可再生碳资源为原料，以工程微生物为核心工具，通过生物制造的方式生产生物基材料等化学品，具有绿色、低碳的优势，已经成为目前研究的热点。ω-氨基酸是氨基和羧基分别位于支链碳链两端的一种非天然氨基酸，其自身环化的产物内酰胺是合成聚酰胺材料（又名尼龙）的关键单体。聚酰胺材料具有广泛的应用与巨大的市场，目前主要通过石化路线生产，生物合成路线仍处于研究阶段，但是近年来进展迅速。本文系统介绍了ω-氨基酸与内酰胺的生物合成研究进展。为合成生物基聚酰胺材料，研究者设计了ω-氨基酸的人工合成途径，挖掘了可环化ω-氨基酸合成内酰胺的关键酶，通过在微生物底盘细胞中组装合成途径，调控和优化代谢流量，开发内酰胺生物传感器并进行高通量筛选，实现了C₄～C₆的ω-氨基酸和内酰胺的生物合成。尤其以葡萄糖为原料合成戊内酰胺的产量超过70 g/L，生产强度达到约1 g/（L·h），接近可工业化的水平。最后，本文也讨论了目前ω-氨基酸与内酰胺生物合成面临的途径原子经济性低、关键环化酶限速、一碳等非粮原料开发利用不足等挑战。

微生物合成二元醇研究进展

竺方欢, 岑雪聪, 陈振

2024, 5(6): 1367-1385. doi:10.12211/2096-8280.2024-014

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二元醇是一类重要的大宗化学品，在高分子材料、化妆品、燃料、食品和制药行业有着广泛应用。开发可利用生物质及碳一原料等可再生原料生产二元醇的生物合成路线对于降低化石资源依赖、减少二氧化碳的排放具有重要意义，近年来受到了国内外广泛关注。虽然通过生物法生产1，3-丙二醇、1，3-丁二醇和1，4-丁二醇已实现商业化，但大多数其他二元醇的高效生物合成仍面临挑战，主要原因包括缺乏有效的天然生物合成途径、基因工程菌的产率低等。本综述全面探讨了微生物合成二元醇的最新研究进展，特别是在开发新代谢途径和代谢工程策略方面，以实现C₂至C₅二元醇的高效生物合成。例如通过对非天然合成途径的设计和构建以实现系列非天然二元醇的生物合成，以及利用非传统的碳源（如木质纤维素等）通过特定的代谢途径和优化策略合成二元醇，为生物合成领域开辟新的道路。此外，本文还讨论了这些生物合成过程向工业应用转化的主要挑战和未来的发展前景，包括廉价和可持续原料的获取、大规模放大过程的复杂性、满足下游特定需求的后提取工艺开发等。

巴氏梭菌作为工业底盘细胞高效生产1，3-丙二醇——从代谢工程和菌种进化到过程工程和产品分离

刘建明, 张炽坚, 张冰, 曾安平

2024, 5(6): 1386-1403. doi:10.12211/2096-8280.2024-030

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1，3-丙二醇（PDO）是一种重要的化工原料，广泛应用于材料和化妆品等领域。生物制造PDO具有原料可再生性和环境友好性等众多优点和广阔的发展前景。由于巴氏梭菌（Clostridium pasteurianum）菌株安全、非致病、代谢甘油速率快、生长快、不依赖昂贵的培养基组分、天然具备高效生产PDO代谢途径等条件，利用和改造巴氏梭菌作为工业底盘生产PDO呈现出得天独厚的优势。本文首先回顾了PDO的生物制造现状和挑战，随后深入探讨了采用巴氏梭菌生产PDO的方法，特别关注于巴氏梭菌的甘油代谢机制、甘油发酵的策略和发酵过程的工艺设计。值得一提的是，本文作者研究团队筛选到的巴氏梭菌突变体和随之开发的鲁棒性发酵工艺在一定程度上突破了传统巴氏梭菌对环境的要求，特别是对铁离子浓度的敏感性；在电辅助甘油发酵过程中，PDO产量达到120.7 g/L，生产强度达到4.8 g/（L·h），收率达到理论值；并进一步阐述了巴氏梭菌基因工程改造方面的天然屏障，围绕着理性基因组改造和定向进化等几个方面进行了详细讨论；由于PDO产品纯度（>99.9%）通常有较高要求，因此开发高效的下游处理技术对于实现利用可再生资源发酵生产PDO的工业化应用至关重要，本文在分离工艺方面主要讨论了基于蒸发和蒸馏的PDO纯化技术以及基于萃取的PDO纯化技术。通过对代谢工程、菌种进化、发酵过程优化以及产品分离等多个维度全方位分析，全面地解析了巴氏梭菌生产PDO的特点和优势，以及巴氏梭菌作为新型工业底盘微生物在未来发展过程中值得关注的问题。

生物高纯精草：高光学纯L-草铵膦生物制造的创新与发展

程峰, 邹树平, 徐建妙, 汤恒, 薛亚平, 郑裕国

2024, 5(6): 1404-1418. doi:10.12211/2096-8280.2024-032

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草铵膦是全球三大除草剂之一，具有广谱、高活性、非选择性等特点，市场前景被广泛看好。然而，草铵膦具有两种对映异构体（D型和L型），其除草活性主要来自于其中的L型对映体（L-草铵膦）。因此，高光学纯L-草铵膦高效合成至关重要。本文作者团队者研究团队在中国“生物农药之父”沈寅初院士的指导下，开展生物合成L-草铵膦的科学研究和产业化实践长达二十余年，涵盖合成路线重构、生物无机胺化技术建立、生物催化剂创制、产物分离纯化、反应装备、过程智能化控制等方面，开发了“生物高纯精草生产技术”（BioHPP^®），建成了万吨级L-草铵膦数字智能化生产线，利用智能传感器和执行器，实现超千个控制点的实时数据采集、传输、分析和反馈调节，全自动化参数采集与控制生产效率提高50%，劳动强度降低70%以上，实现了万吨级L-草铵膦的生物智能制造。本文在研究团队长期积累的基础上，总结和分析了D，L-草铵膦主流生产工艺路线，详述了创新生物制造技术、合成生物技术构筑L-草铵膦关键合成体系的原理和方法，从底物合成与选择、生物催化剂类型、氨基供体使用、分离纯化等方面比较了这些路线的各自特点及实现产业化的关键要点。可以预见，在合成生物技术的助力下，未来将有越来越多的高光学纯度手性农药通过生物制造实现大规模生产。

基于极端微生物的生物制造

邵明威, 孙思勉, 杨时茂, 陈国强

2024, 5(6): 1419-1436. doi:10.12211/2096-8280.2024-016

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以微生物或酶为基础的生物制造，正以其绿色、环保、可持续等优势逐渐替代以化石燃料为原料的传统化工生产模式。然而，传统工业生物技术存在易染菌、设备复杂、难以连续发酵等劣势。相较而言，“下一代工业生物技术”（NGIB）利用以嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌等极端微生物作为底盘细胞，使用廉价底物生产多种高附加值产品，具有开放、无需灭菌、连续发酵等优点。本文介绍了嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌极端微生物的定义以及在高盐、高温、极度酸碱等极端环境下快速生长的特性。随后总结了目前极端微生物的基因工程手段例如启动子工程、以CRISPR为代表的基因编辑技术、命运共同体策略、稳定质粒载体等，代谢工程手段例如增加碳源前体、敲除旁路代谢、减少副产物、提高转运等，以及极端微生物生产的多种产品例如PHA、蛋白质、氨基酸及小分子衍生物等。同时概括了目前在极端微生物底盘细胞改造过程中仍存在的问题，如缺乏多种优秀的质粒载体、质粒转化效率低、缺乏高效基因编辑技术以及其他非嗜盐菌生长发酵周期较长等，并提出了相应的解决策略。最后展望了如何充分利用不同类型极端微生物的特性生产优势产品，推动下一代工业生物技术的发展与完善，实现绿色、环保、可持续的生物制造。

体外生物转化（ivBT）：生物制造的新前沿

石婷, 宋展, 宋世怡, 张以恒

2024, 5(6): 1437-1460. doi:10.12211/2096-8280.2024-004

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人类社会的重大挑战（如粮食安全、能源安全、气候变化与双碳目标等）驱动全社会寻求创新型技术解决方案。体外生物转化（in vitro biotransformation，ivBT）是介于微生物发酵与酶催化之间的新质生物制造平台，多酶分子机器是其超限生物催化剂。它基于大道至简原则，利用多个天然酶、人工酶以及（仿生/天然）辅酶等重构生化途径，摆脱生物体生存局限（如细胞复制、基础代谢、复杂调控和能量供给等），超越细胞合成极限，实现重要生物转化与超限能量转换，尤其是生产低值大宗产品与新能源产品等。工业生物制造的三个平台技术分别是基于细胞工厂的发酵、基于酶分子的生物催化与基于多酶分子机器的ivBT。本综述对ivBT给出明确定义，阐明其多酶途径设计原则与产业化技术研发路径，比较该平台与现有生物制造平台相似性与不同点，介绍多个代表性案例，以及讨论其未来的机会与挑战。ivBT技术发展采用设计-构建-判决-优化的线性策略，开发能够满足国家需求的超高效多酶分子机器。利用ivBT有望形成超过30万亿元生物产品的工业生物制造，助力实现人类社会的多项重要需求，如粮食安全、新型能源体系等。人造淀粉不仅可以帮助中国端牢粮食饭碗，而且将是一个全新且安全的高密度储氢载体（比压缩氢气高2.5倍）与高能储电介质（比锂电池高10倍）。

体外多酶分子机器产氢应用中的氢酶研究

李怡霏, 陈艾, 孙俊松, 张以恒

2024, 5(6): 1461-1484. doi:10.12211/2096-8280.2024-052

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氢酶是生物制氢和氢能利用的最关键酶，它是一类广泛分布的对氧敏感的多亚基金属复合酶。体外多酶分子机器是体外生物转化技术中的高效酶生物催化系统，利用该分子机器生产氢气是一种新型高效的绿氢生产技术，它突破微生物产氢的Thauer极限，将葡萄糖产氢的转化率提高至接近化学理论值（1 mol葡萄糖裂解水生产12 mol氢气），代表着生物产氢的未来方向。氢酶的制备及催化性能是限制多酶分子机器产氢技术广泛应用的主要瓶颈；氧气不仅抑制氢酶的活性，也是氢酶转录翻译及翻译后加工的重要影响因素。体外多酶分子机器对氢酶的耐氧性能、热稳定性及高周转性能等参数提出高要求。本文结合氢酶在多酶分子机器制氢应用中的技术障碍，针对迫切的基础科学问题，分别从氢酶分类、结构功能、重组表达技术进展、（仿生）辅酶的适配等方面对其进行了相关的总结，并初步对氧的抑制机制、微生物重组表达氢酶以及产氢人工电子传递链的优化等难点问题的研究进行了跟踪，期待能够为氢酶在体外合成生物学的应用提供参考。

氢化酶固定化研究进展

雷航彬, 何宁, 李斐煊, 董玲玲, 王世珍

2024, 5(6): 1485-1497. doi:10.12211/2096-8280.2024-022

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氢化酶催化氢气向质子和电子的可逆转化，具有广阔的工业应用前景。但游离的氢化酶存在着对氧气敏感、传递电子速率慢等缺点。本文综述了碳材料、金属及半导体、高分子和金属-有机框架材料（MOF）固定化氢化酶。碳材料具有价格低廉、比表面积大等优势。金属及半导体有着良好的导电性能和优异的催化性能。高分子材料具有良好的生物相容性和机械性能，可以提高氢化酶的稳定性和对氧气的耐受性。MOF比表面积大，可设计调控，为理化性质不同的氢化酶提供了广泛的载体选择。复合材料固定化氢化酶可以结合不同材料的优势，拓宽固定化氢化酶的应用场景。固定化氢化酶可用于氢气的高效生产与应用以及生物不对称加氢制备手性化合物，为转变能源结构、实现绿色转型、解决环境问题提供了可选方案。

过氧化物酶的重组表达和应用研究进展

李庚, 申晓林, 孙新晓, 王佳, 袁其朋

2024, 5(6): 1498-1517. doi:10.12211/2096-8280.2024-027

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过氧化物酶作为一类自然界中广泛分布的酶，参与了生物体的先天免疫防疫、植物微生物抗氧化应激、真菌木质素降解、植物细胞壁代谢及伤口愈合等重要生命过程。随着测序、基因编辑、重组蛋白表达和高通量筛选技术的飞速发展，越来越多的过氧化物酶被发现、表征和重组表达。这些种类丰富、数量庞大及催化性能卓越的过氧化物酶，在众多领域的应用研究中受到广泛关注。近年来过氧化物酶在重组表达上取得了显著进展，进一步促进了其在应用研究领域的开发。本文从系统进化分类及功能角度对过氧化物酶进行了简要概述，对近年来过氧化物酶在大肠杆菌、酵母和丝状真菌中重组表达研究进展及其在环境修复、化合物检测的应用研究成果进行系统综述，重点介绍了过氧化物酶应用于生物合成高附加值化合物方面的最新研究进展，并对其目前在该领域应用研究中存在的底物和产物非专一性问题及辅因子H₂O₂细胞毒性问题进行讨论。过氧化物酶在医学检测、环境保护和生物合成等领域中的应用潜力巨大。然而，当前的技术和应用仍面临一些挑战，比如过氧化物酶在复杂环境中的稳定性和活性差、酶制剂生产成本高及专一性差问题。未来，通过结合蛋白质工程、合成生物学和固定化技术等多学科的最新进展，可以有效解决这些挑战，推动过氧化物酶在各个领域的广泛应用。

仿生分区室固定化多酶体系

董玲玲, 李斐煊, 雷航彬, 宋启迪, 王世珍

2024, 5(6): 1518-1529. doi:10.12211/2096-8280.2024-025

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仿生分区室固定化多酶偶联是体外合成生物学的前沿技术，目的是实现多酶分区室固定化和反应的时空分离。与简单共固定化不同，仿生分区室固定化技术通过控制酶在载体上的空间分布，形成底物通道促进中间产物传递，并提高串联或偶联反应的系统稳定性、产率和产物纯度。本文综述了近年来仿生分区室固定化多酶体系的进展，包括金属有机框架（MOF）、聚合物囊泡和聚合物胶囊等固定化策略。MOF具有结构可控、功能易调控等优点，采用分级多孔、MOF-on-MOF和多种MOF组合等仿生策略构建分区室微反应器，可实现高效的体外多酶偶联催化反应。聚合物囊泡的膜结构可模拟天然磷脂双分子层，将多个小囊泡包封到大囊泡形成“囊泡中囊泡”模仿细胞器分区室固定化酶。聚合物胶囊是通过模板法形成的核壳纳米球体结构，结构稳定性优异，进一步通过层层自组装能够形成多层核壳结构实现分区室固定化。将来，微流控等技术与仿生分区室固定化多酶技术融合，将促进体外合成生物学和绿色生物制造等领域的发展。

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