日前我校物质学院钟超课题组与南京工业大学黄和教授课题组共同开发出一种新颖的结合细胞内外酶催化的方法制备海藻糖技术。该项成果以“Programming Integrative Extracellular and Intracellular Biocatalysisfor Rapid, Robust, and Recyclable Synthesis of Trehalose”为题在国际知名学术期刊《ACS Catalysis》在线发表。
生物酶催化在工业合成复杂的化学物质领域有着广泛的应用。目前，具有催化活性的酶主要是通过提纯或者在全细胞内表达，但是这两种方法都具有一定的缺陷，提纯的酶应用成本较高，稳定性较差，难以进行循环利用；而全细胞表达的酶则由于胞内外物质交换速率的限制，导致其催化效率较低。为解决这些问题，该研究提出将第一种酶固定在胞外的生物被膜上，同时在同一个细胞内表达另一种蛋白酶，将两种酶结合形成一个酶联反应体系。这一体系拥有较高的稳定性，可循环性以及可循环再生等优点。可以在一定程度上弥补传统的两种酶催化反应的缺点。
该工作利用CsgA基因编码淀粉样蛋白并能被分泌到大肠杆菌细胞表面形成生物被膜纳米纤维的特点，建立了以大肠杆菌为底盘微生物、基于多基因共表达和体外模块化相结合的技术，并基于该技术实现了细胞内外串联催化方法制备海藻糖关键技术。具体来说，该研究首先借助重叠延伸PCR手段将多肽标签SpyTag连接在CsgA基因的碳端进行融合，并在各基因前端组装SD序列，再通过启动子和RBS等调控元件实现与海藻糖合成酶TreS的共表达；其次利用重叠延伸PCR手段将多肽标签SpyCatcher连接在β-淀粉酶基因碳端进行融合组装获得重组质粒，构建产重组淀粉酶的菌株。利用多肽标签SpyTag-SpyCatcher特异性共价结合的特性精准化固定重组β-淀粉酶在生物被膜上，并进一步将全细胞催化和固定化技术相结合，最终使胞外胞内两步催化连续进行，从而构建海藻糖合酶-β-淀粉酶双酶催化的模式细胞工厂，成功实现以可溶性淀粉为廉价原料高效制备海藻糖的关键技术。
该论文利用了钟超课题组前期建立的生物被膜技术，证明了生物被膜技术在生物催化方面的应用潜力。课题组博士生李颖风和濮嘉华全程负责了材料表征试验，钟超教授与黄和教授作为该文的共同通讯作者。
文章链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.7b03445
An integrative cell-based catalysis strategy forsynthesis of trehalose