第一作者：Lina Fu, Jiandong Wang
通讯作者：付玉杰
通讯单位：北京林业大学
研究速览：
该工作构建了一种具有双重功能的基于核壳纤维素酶的生物反应器，该反应器不仅可以充分利用其转化特性，还可以用作光热抗菌材料。首先，使用具有多孔纳米结构的纤维素微球固定酶。随后，使用多巴胺作为功能单体和交联剂，在固定化酶周围包被分子印迹层。因此，生物反应器通过壳结构表面的靶向识别位点实现了根皮苷的识别和富集。该生物反应器可将根皮苷转化为根皮素，可使石果叶提取物中根皮素的产量提高 122 倍，其转化效率在重复使用 10 次后仍保持 95% 以上。用多巴胺制备的表面分子印迹层也表现出优异的光热转换特性。结果表明，该生物反应器在近红外光照射 （808 nm） 下对铜绿假单胞菌 （抗菌率 96.19%） 和枯草芽孢杆菌 （抗菌率 85.98%） 均具有良好的光热抑菌能力。此外，具有光热抗菌特性的生物反应器可以有效保护秀丽隐杆线虫免受细菌感染，减少铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌在秀丽隐杆线虫中的定植，从而提高它们的存活率。该团队的研究为设计用于植物化学物质生物转化的双功能生物反应器提供了一种有前途的策略，并扩大了光热转化技术在抗菌领域的应用。
要点分析：
要点一：构建了基于核壳纤维素酶的双功能生物反应器。
研究团队在这项工作中，制备了具有多孔纳米结构的纤维素微球 （CMs） 来固定酶。随后，通过 DA 自聚合在固定化酶系统周围涂覆分子印迹层。因此，通过将固定化技术与分子印迹技术相结合，制造了具有靶标识别和转换能力的生物反应器。印迹多多巴胺 （PDA） 层通过其靶标识别特性选择性地富集根皮素，然后通过固定化酶水解成根皮素。同时，PDA 层表现出优异的光热转换性能，当暴露于 808 nm 激光照射下时，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌表现出显着的抑制作用。因此，制备的生物反应器具有双重功能，具有靶标识别和转换能力以及光热抗菌特性。
要点二：生物反应器使根皮素的产量提高 122 倍。
生物反应器通过壳结构表面的靶向识别位点实现了根皮苷的识别和富集。此外，结合的根皮苷被核心中固定的 β-葡萄糖苷酶转化为根皮素。该生物反应器已成功将根皮苷转化为根皮素，使石果叶中根皮素的产量提高了 122 倍。
要点三：10 次循环后，生物反应器的转化效率没有降低。
采用生物反应器连续转化石果仁叶中的根皮苷 10 个循环，每个循环持续 10 h，转化效率保持在 95% 以上。
要点四：生物反应器光热抗菌率超过85%。
在没有 NIR 照射的情况下，CM、CM-GLU-NIPs 和 CM-GLU-MIPs 对枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌的抑菌率分别为 13.17% 和 25.38%、71.45% 和 72.97%，以及 96.19% 和 85.98%。由此可知生物反应器光热抗菌率超过85%。
图文导读
图 1.（A） 生物反应器 （CM-GLU-MIPs） 的示意图设计。（B） 分子印迹聚合物制备示意图。
图 2. （A） CMs 的 TEM 图像，（B） 粒径，（C） 接触角和 （D） 氮吸收-脱附等温线。（E） GA 浓度、（F） 交联时间、（G） GLU 浓度、（H） 固定温度和 （I） 固定时间对酶活性和固定效率的影响。
图 3. 分别为 CMs、CM-GLU、CM-GLU-CS、CM-GLU-MIPs 和 CM-GLU-NIPs 的 （A） FTIR、（B） XRD、（C） zeta 电位值、（D） XPS 谱图、（E） XPS 拟合 C 1s 峰分裂图和 （F） XPS 拟合 O 1s 峰分裂图。
图 4. （A） 根皮苷、白藜芦醇苷和京尼平苷分别被游离酶、CM-GLU、CM-GLU-NIPs 和 CM-GLU-MIPs 转化。（B）在 10 个循环后 （每个反应循环 2 h） 生物反应器对根皮苷的转化效率。（C） CM-GLU、CM-GLU-NIPs 和 CM-GLU-MIPs 在不同时间对石果仁叶根皮苷的转化效率。（D） 生物反应器在 10 次循环 （每个反应循环 10 h） 后对石果叶根皮苷的转化效率。
图 5. （A） CMs、CM-GLU-NIPs 和 CM-GLU-MIPs 的消光系数和 （B） 温度升高曲线。（C） 连续照射和自然冷却后的 CMs、（D） CM-GLU-NIPs 和 （E） CM-GLU-MIPs 分散体 （4 mg/mL） 以及冷却时间与 −ln （θ） 的图拟合（插图）。（F） 紫外-可见光谱和 （G） 不同浓度的 CM-GLU-MIPs 的温度升高。（H） 不同浓度的 CM-GLU-MIPs 溶液在 808 nm 激光照射下的升温和冷却时间。（I） 三个开/关循环的 CM-GLU-MIPs 水溶液 （4 mg/mL） 的再循环加热曲线。
结论
研究团队已经开发了一种基于纤维素酶的具有核壳结构的双功能生物反应器，用于植物化学物质的转化和光热抗菌应用。该生物反应器包括一个固定化的酶核心和一个由 PDA 制成的分子印记外壳，使其具有靶向识别和转换能力。该生物反应器已成功将根皮苷转化为根皮素，使石果叶中根皮素的产量提高了 122 倍。此外，经过 10 次以上的再利用循环后，转化效率保持在 95% 以上。由于 PDA 的优越转化特性，制备的生物反应器通过 808 nm 激光照射在体外对枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌表现出优异的光热抗菌能力。此外，制备的生物反应器在秀丽隐杆线虫测试中显示出更好的体内抗菌活性。因此，生物反应器能够转化植物化学物质，也可以在酶活性丧失后用作光热抗菌材料。总体而言，该生物反应器表现出更高的催化效率和优异的光热抗菌性能，为生物转化和智能抗菌材料提供了新的思路和技术。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157826
参考文献：Layer-by-layer assembled cellulase-based bioreactor with dual functions: Targeted biotransformation performances and enhanced photothermal antibacterial capabilities. Lina Fu, Jiandong Wang, Xinlin Zhang, Xuanting Zhao, Qi Gu, Guosheng Liu, Litao Wang, Yujie Fu. Chemical Engineering Journal.2024, DOI: 10.1016/j.cej.2024.157826.
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