由于其固有的復雜性，設計用于催化的細胞膜還具有挑戰(zhàn)性。

2024年12月11日，南丹麥大學吳昌柱教授在國際頂級期刊Nature Catalysis發(fā)表題為《Engineering living cells with polymers for recyclable photoenzymatic catalysis》的研究論文，Jian Ning、孫志永研究員為論文共同第一作者，吳昌柱教授為論文通訊作者。

吳昌柱，南丹麥大學終身教授，丹麥2019年國家杰出青年基金（丹麥基金委最著名的獎項）和2022年嘉士伯杰出青年基金（丹麥著名的私人基金會）的雙“杰青”獲選者，丹麥化學會執(zhí)行理事（150年丹麥化學會歷史中的唯一華人）。

碩士畢業(yè)于同濟大學，2011年在德國柏林工業(yè)大學取得博士學位，于2012年前往柏林自由大學進行博士后研究工作。2015年在德雷斯頓工業(yè)大學建組，進行獨立研究。2018年受邀加盟南丹麥大學，2020年獲得終身職位。目前任國家精英中心-丹麥高等研究院（DIAS）研究員。

吳昌柱教授及其團隊長期致力于探索酶催化領(lǐng)域，包括新型乳液生物催化、如Pickering乳液、聚合物乳液等；專注于酶的固定化和改性，以用于化學、藥物的綠色合成。近年來，吳教授獲得了超過1531萬人民幣的研究基金，發(fā)表論文40余篇，前沿成果發(fā)表在包括Nature communication、Advanced Materials、Angewandte?Chemie?International Edition、ACS Catalysis、ACS sensor等頂尖期刊。

在這里，作者介紹了一種聚合物策略，通過使用催化聚合物對細胞膜進行化學修飾來克服這些挑戰(zhàn)，從而實現(xiàn)穩(wěn)定性、可回收和光酶催化。

研究人員通過對活體大腸桿菌細胞進行一步原位原子轉(zhuǎn)移自由基聚合，生成聚合物以保護細胞免受環(huán)境壓力，同時將催化聚合物與細胞內(nèi)酶整合來促進化學酶合成。

作為概念驗證，作者演示了蒽醌基聚合物和苯甲醛裂合酶的光酶級聯(lián)，將苯甲醇轉(zhuǎn)化為安息香，并實現(xiàn)了比對照組高15倍的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)率。

此外，細胞可以作為聚合物的大型生物支架，從而實現(xiàn)大分子催化劑的回收。

作者還提出了一種將有機金屬聚合物與細胞內(nèi)酶結(jié)合在一起的可回收化學酶系統(tǒng)。

作者提出的多功能、簡單的方法為工程細胞膜級聯(lián)合成提供了一個技術(shù)平臺，對合成化學、高分子化學和生物技術(shù)具有廣泛的影響。

圖1：在大腸桿菌細胞表面使用催化活性聚合物進行聚合物工程化的策略

圖2：在細胞表面接枝聚合物的表征和分布

圖3：接枝聚合物的大腸桿菌細胞的活性和增殖能力

圖4：聚合物接枝大腸桿菌細胞中光催化劑和生物催化劑的相互兼容性

圖5：聚合物對外部應力環(huán)境的防護能力

圖6：聚合物接枝大腸桿菌細胞的光酶級聯(lián)反應

圖7：聚合物接枝大腸桿菌細胞的化學酶級聯(lián)研究

綜上，這項研究提出了一種通過化學修飾細胞膜與催化聚合物結(jié)合的策略，實現(xiàn)了穩(wěn)定性、可回收和光酶催化。通過在大腸桿菌細胞上進行一步法原位原子轉(zhuǎn)移自由基聚合，作者成功地將催化聚合物與細胞內(nèi)酶整合，顯著提高了生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)率，并展示了細胞作為大分子催化劑回收的平臺技術(shù)，對合成化學、聚合物化學和生物技術(shù)具有重要意義。未來有望應用在制藥工業(yè)、生物燃料和化學品的生產(chǎn)、環(huán)境保護、未來可持續(xù)化學的發(fā)展等方面。

Engineering living cells with polymers for recyclable photoenzymatic catalysis. Nat. Catal.,?(2024).?