01
遇见/摘要
近日，上海科技大学李健课题组在美国化学会ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊上在线发表研究论文“Chitin-Functionalized Cell-Free System Enables Sustainable Biocatalysis and Gene Expression”，该研究利用合成生物学、化学和材料科学等多学科交叉技术，构建一种基于生物材料甲壳素的高性能无细胞蛋白合成体系（cell-free protein synthesis, CFPS），实现了可持续的无细胞蛋白表达与生物催化。
02
遇见/内容
近年来，CFPS被广泛应用于表达各类蛋白和酶、构建体外生物合成通路、以及开发体外生物传感器等，具有易于操作、快速传质和高生产率等显著优势。然而，传统的无细胞表达系统通常以批式反应运行，其中添加的基因模板往往不可回收，且体外表达酶蛋白的再利用也存在挑战。针对这些问题，李健课题组将基于甲壳素-甲壳素结合结构域（chitin-binding domain, ChBD）的固定化体系引入CFPS，设计并构建了甲壳素功能化的高性能无细胞体系，实现了酶蛋白的体外表达、原位固定化、循环生物催化，以及基因模板的固定化进行可持续基因表达。
首先，作者以天然甲壳素制备了纳米纤维（chitin nanofibers, ChNFs）做为酶及基因模板的固定化载体，然后选取报告蛋白sfGFP和酶蛋白LacZ作为固定化对象，将甲壳素结合结构域ChBD分别融合到上述基因的C-端进行无细胞表达，同时将ChNFs添加到CFPS中用于蛋白/酶固定化。结果表明，两种蛋白均可成功固定化到ChNFs上，且ChNFs对固定化酶具有较好的保护作用，使固定化酶在应对有机溶剂、pH变化、热处理等方面显著优于未固定的酶对照组（图1和图2）。此外，无细胞体系表达固定后的酶可直接用于制备连续催化装置，进行连续稳定的生物催化反应（图3）。
随后，研究人员通过将阻遏蛋白eryD与ChBD融合，构建了可连接ChNFs与DNA模板的桥梁，实现了DNA模板在甲壳素纳米纤维ChNFs上的固定化。固定化的DNA模板显著提高了其在无细胞体系中的稳定性，有效避免了核酸酶降解，并支持DNA模板的循环利用，实现了DNA模板的多轮可持续性蛋白表达（图4和图5）。
展望未来，这一甲壳素功能化的高性能CFPS体系的构建与开发，一方面为甲壳素的可持续利用提供了新思路，另一方面将在化学合成、工业/生物催化、合成生物学以及生物医药等领域产生广泛的应用前景。
上海科技大学物质科学与技术学院硕士研究生卢屹聪和博士研究生郑霄为论文共同第一作者，李健教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。
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遇见/致谢
感谢李健教授课题组对本号的支持，感谢该课题组提供本文稿件支持！
1. 南洋理工梁照珣/上科大李健合作JACS Au | 蒽醌型烯二炔的生物合成研究：双酶体系催化的蒽醌母核形成机制
2. 上海科技大学李健等课题组合作Nat Comm｜无细胞生物合成核糖体肽类天然产物
3. 上科大李健组与南丹麦大学吴昌柱组合作Angew | 基于酶-聚合物Pickering乳液的无细胞表达实现高效级联生物催化
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合成生物学/天然产物生物合成
姊妹号“生物合成文献速递”
