表达脂肪酶的大肠杆菌人工孢子界面催化更高效

孢子是微生物抵抗环境压力、延续自身种群的有效手段。天然微生物孢子可以有效抵抗紫外线或极端化学环境对DNA的损伤，帮助微生物抵抗不利环境。受天然孢子的启发，将活细胞包裹在保护材料中制成人工孢子，有望改善生物催化过程中各种不利环境因素对生物催化过程的干扰，显著提高生物催化的效率。

近日，南丹麦大学吴昌柱团队在《科学》杂志上发表了题为《大肠杆菌细胞作为细胞载体》的研究成果，设计了一种基于聚多巴胺涂层的通用构建人工孢子的方法。

本研究将不同比例的N-油酰-多巴胺和多巴胺混合溶解于DMSO中，然后滴加到悬浮有大肠杆菌的10倍体积的Tris缓冲液中，包被2h后洗涤、重悬，即得包被的大肠杆菌人工芽孢。

电子显微镜表征显示，聚多巴胺涂层平均厚度为40nm，在电子显微镜下明显改变了细胞外壁的形貌。

采用染料法对细胞活性进行测试，发现包被后，97%的细胞都具有活性，说明多巴胺涂层的包被过程对大肠杆菌的活性影响微乎其微，包被后的大肠杆菌均具有分裂能力，包被与否影响大肠杆菌的环境承载能力的上限。

聚多巴胺涂层可以有效抵抗紫外线、甲苯、乙腈等对细胞活力的影响，并在一定程度上增强细胞的耐热性。

将人工孢子加入戊基甲基醚和PBS的双相混合溶液中，得到具有一定稳定性的人工孢子乳剂。研究以表达南极白色念珠菌脂肪酶B（B，CalB）的大肠杆菌为原料制成人工孢子，置于双向反应介质中与未包被菌株、纳米二氧化硅粒子、未包被菌株（纳米二氧化硅可以促进乳液的形成，增强大肠杆菌对不良环境的抵抗力）进行催化反应。发现在人工孢子模式下测得的CalB蛋白活性比未包被菌株的活性强300倍，是纳米二氧化硅粒子乳剂对照组的3倍。且经过5次离心回收后酶活无明显变化。

后续研究尝试利用人工孢子表达苯甲醛裂解酶和醇脱氢酶，发现需要辅因子的醇脱氢酶在没有外源辅因子的情况下依然有活性，说明人工孢子中的活细胞参与了辅因子的供应和再生。尝试在人工孢子条件下将醇脱氢酶与脂肪酶B和苯甲醛裂解酶一起表达，实现多酶级联反应，发现相关酶的反应性并没有因联合表达而受到抑制。

当将钯纳米粒子、含有CalB的人工孢子和含有CalB的全细胞加入到两相反应体系中时发现，人工孢子的CalB酶活性是全细胞的350倍，表明人工孢子可以用于化学-酶级联反应。

综上所述，人工芽孢可以有效增强大肠杆菌的抗逆性，并能与戊基甲基醚形成乳液，从而实现界面催化和单酶催化、多酶级联反应以及基于界面催化的化学-酶级联反应。

（徐一成译）