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在整个细胞中的人工金属酶(ArMs)已经成为有前途的催化剂；然而，它们对金属中心的敏感性仍然是一个系统性的挑战，导致活动和周转减少。2025年1月8日，湖南大学白玉罡团队在Nature Chemical Biology（IF=13）在线发表题为“Artificial metalloenzyme assembly in cellular compartments for enhanced catalysis”的研究论文，该研究开发了用于增强催化的细胞区室中的人工金属酶组件。
该研究通过自标记融合蛋白HaloTag-SNAPTag诱导纤维素液-液相分离来解决这个问题。这种策略在大肠杆菌内产生无膜的、分离的液体浓缩物，作为使用相同融合蛋白装配臂的保护性隔室。该方法通过将臂定位在相分离区域内，允许高的臂负载和稳定性。因此，基于ArM的全细胞催化剂的性能得到了改善，对于烯烃易位反应，每个细胞的周转率高达7.1 × 109。此外，将其应用于活体小鼠中的工程大肠杆菌系统，其中宿主细菌细胞限制金属催化物种，并应用于小鼠结肠直肠癌模型，其中含ArM的全细胞催化剂介导并发反应以激活前药。自古代以来，全细胞作为化学转化机器已被长期使用。从葡萄酒和醋的生产到抗生素和抗癌药物，基于全细胞的转化一直是解决大规模生产挑战的催化工具箱中不可或缺的元素。最近，配有人工金属酶(ArMs)的全细胞已经成为这种催化工具的一种有希望的扩展。ArMs是半合成催化剂，来源于天然金属酶的再利用或非生物金属辅因子与蛋白质支架的结合。它们扩展了具有非生物反应的天然酶指令库，使工程细胞有可能介导人工设计的转化或按照意愿进行人工调节。同时，由于ArM的环境敏感性以及在分离和纯化方面的挑战，ArM应用范围的扩展高度依赖于它们在全细胞设置中的成功。然而，将非生物金属辅因子在细胞内安装到蛋白质上的困难极大地阻碍了臂在整个细胞中的整合。虽然这种装置可以通过选择高亲和力抑制剂或底物在宿主蛋白内进行导向锚定来简化，但这种方法可能无法为含有敏感辅因子的合成臂提供足够的稳定性，这些辅因子可以通过协调生物分子(如谷胱甘肽(GSH)和氨基酸)而快速失活。事实上，尽管细胞内配位分子促进催化作用的情况很少，但它们通常被认为是细胞内臂实现的非生物反应的障碍。如果创造出更大的人工区室，我们可以打破这种高度特异性的、自然存在的区室空间，即周质的限制，允许每个细胞有更高的臂含量和更高的TON。这种位置隔离的隔室的建立甚至可以促进串联反应和空间分离的同时催化，这对于具有复杂功能的全细胞催化剂的产生是必要的考虑。为此，研究人员注意到生物大分子的液-液相分离(LLPS)中的人工无膜细胞器和隔室是细胞组织的新兴范例。来自浓缩蛋白质或核酸的LLPS可以为生物化学转化提供隔离的空间，然而由于其类似液体的性质，允许与周围环境交换物质。因此，人们可以直截了当地期望包含臂支架的LLPS隔间完美地充当催化“避难所”。如果臂支架蛋白允许可靠地触发其自身的LLPS，不同功能的臂可以容易地在LLPS区域内组装，以延长催化能力。
从HS中创建基于LLPS的人工隔间（图源自Nature Chemical Biology）这项工作证明了ArM-LLPS技术对基于全细胞的非生物催化的通用性和体内适用性，其特点是创造了人工细胞内隔室，提供了专门为ArM设计的清洁微环境。通过使用固有地倾向于聚集和相分离的自标记融合蛋白，可以通过LLPS产生细胞内区室，并且可以在区室中直接装配臂。卤代烷和烷基氯之间的生物正交偶联赋予了该技术在不同金属辅因子上的广泛适用性，包括具有高环境敏感性的辅因子，例如用于烯烃复分解的Ru中心。显著增强的金属催化中心不仅能够实现由高度敏感的辅因子介导的转化，而且能够实现细菌细胞中的聚合和串联反应。值得注意的是，ArM-LLPS技术提供了一种创建多功能全细胞催化剂的简便方法，在一项基于小鼠结肠直肠癌模型的研究中，展示了该技术在治疗应用中的潜力。然而，除此之外，这种策略可以用于更多的应用，如非生物发酵、药物合成以及建立非天然代谢途径。有了所有这些特征，预计这项工作将有助于未来体内非生物催化和治疗剂递送的类似工具的开发和实施。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41589-024-01819-7#Sec31
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