酶是自然界不可或缺的催化剂，具有高效性和选择性，但在工业环境中易受严苛条件影响而失活。为此，科学家通过基因工程和化学修饰改进酶的性能，但化学修饰常存在兼容性差、不可逆和功能有限的问题。超分子化合物因其动态、可逆的非共价相互作用和多样化功能性，为酶工程提供了新思路。本研究首次将超分子聚合物与活细胞结合，开发出名为 SupraBAC 的细菌细胞超分子涂层体系。通过改性聚乙烯亚胺聚合物与细胞表面相互作用，SupraBAC 不仅保护细胞免受紫外线、酸、热和有机溶剂等恶劣条件影响，还通过“主客体”相互作用实现细胞内外酶的整合，显著提升质量传递效率，从而构建出可回收、稳健且高效的两步或三步酶催化级联反应。本研究为超分子化学、生物催化和合成化学提供了新思路（图1）。
首先通过两步法将超分子聚合物涂覆在大肠杆菌细胞表面，形成名为SupraBAC的涂层细胞。通过光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析，确认了超分子聚合物涂层的成功形成及其稳定性。荧光显微镜显示，FITC标记的聚合物在SupraBAC中保持强荧光，表明涂层在洗涤后仍保持稳定。这些结果表明，超分子聚合物涂层可提高E. coli细胞的稳定性，具有广泛的应用潜力（图2）。
然后将超分子聚合物引入细胞表面，探索其与β-环糊精（CD）的主客体相互作用。实验表明，复合物具有强荧光并展示了优异的稳定性和可逆性，证明了这种主客体相互作用的适应性和可重复性（图3）。
研究表明，聚合物涂层和β-CD主分子对细胞无害，能有效保持E. coli细胞的活性和增殖能力。活死细胞实验显示，涂层后的细胞具有超过90%的高活性，且在LB培养基和琼脂平板上的生长能力与原生细胞相似，表明聚合物涂层和主客体相互作用不会影响细胞增殖（图4）。
本研究表明，聚合物涂层和主客体相互作用对细胞内酶活性影响较小。在过表达脂肪酶B（CalB）和醇脱氢酶（LK ADH-a）的细胞中，修改后的SupraBAC和SupraBAC+CD细胞保持了90%以上的酶活性，表明涂层和相互作用对酶功能影响微乎其微。进一步的多酶级联反应实验也表明，这些修饰对复杂反应系统中的酶活性没有显著影响（图5）。
研究表明，超分子涂层对细胞无害，并能有效提高细胞及细胞内酶的稳定性。在暴露于苯甲烷-水界面90分钟后，SupraBAC细胞中的转氨酶（ATA）保持了超过70%的活性，而原生细胞仅保留约50%的活性。在酸性环境中，SupraBAC细胞的ATA活性显著高于未涂层细胞。此外，在UV照射和高温等其他严苛条件下，SupraBAC的酶稳定性也表现出显著提升。这些结果表明，超分子聚合物涂层对细胞内酶活性具有显著的保护作用（图6）。
SupraBAC细胞通过主客体相互作用与转氨酶（ATA）结合，形成高效的可回收催化系统。SupraBAC@ATA-CD在转氨反应中表现出近100%的转化率，并在五次循环后保留超过95%的活性，显著优于传统未涂层E. coli系统。此外，辅因子也能成功回收，验证了该复合物在酶催化中的稳定性和可重复使用性（图7）。
SupraBAC系统在多酶级联反应中表现出色。通过将ADH-a和ATA加载到SupraBAC细胞，成功实现了(S)-1-苯乙胺向(S)-1-苯乙醇的高效转化，且在五次循环后仍保留超过88%催化活性。进一步应用于多步级联反应，SupraBAC能有效合成具有高产率和对映体过量（ee）的目标产物，展示了该系统在复杂反应中的可扩展性和高效性（图8）。
综上，本研究提出了一种超分子工程方法，通过超分子聚合物涂层的E. coli细胞（SupraBAC）创建稳定且可回收的生物催化剂。该系统有效解决了酶的稳定性和可回收性问题，在紫外线、热和溶剂等环境应激下保持细胞的活力和催化活性。SupraBAC能够集成细胞内外酶，实现高效的二步和三步级联反应，且在多次循环后仍保持较高催化活性，展现了其在工业应用中的潜力。这一方法为多酶系统的集成提供了新的思路，具有广泛的应用前景，尤其是在精细化学品和药物的可持续生产中。
文章信息：A Supramolecular Approach to Engineering Living Cells with Enzymes for Adaptive and Recyclable Cascade Synthesi
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202416556
