人工细胞中不兼容光生物催化体系的整合实现自然细胞代谢调控

为解决人工细胞中持续供能难题及光催化与酶催化不兼容问题，研究人员开发了具有纳米细胞器分区结构的光生物催化人工细胞。通过将光催化辅因子再生系统与生物催化酒精代谢系统分别封装在二氧化硅纳米细胞器(SiNOs)中，实现了NAD+的持续供应和酶保护。该体系在共培养实验中显著减轻肝细胞氧化应激，为合成生物学与生物医学应用提供了新策略。

　　

在合成生物学领域，如何构建具有持续代谢功能的人工细胞一直是重大挑战。传统人工细胞面临两大瓶颈：一是依赖外源补充的辅因子NAD⁺会快速耗尽；二是光催化产生的活性氧(ROS)会破坏酶活性。这些问题严重限制了人工细胞与自然生命系统的整合应用。针对这些难题，中国科学院的研究团队创新性地提出了"细胞器分区"策略，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究团队主要运用了三大关键技术：1）通过微乳液聚合构建二氧化硅纳米细胞器(SiNOs)，实现光催化剂与酶的空间隔离；2）采用微流控技术组装聚合物巨型单层囊泡(pGUVs)作为人工细胞膜；3）利用荧光共振能量转移(FRET)验证酶共定位效果。实验使用AML12小鼠肝细胞系评估了人工细胞的解毒功能。

【Synthesis of PC for cofactor regeneration】研究首先合成了具有可见光响应的亲水性共轭聚合物光催化剂P-BT-QA，其光学带隙为2.16 eV，能高效催化NADH氧化为NAD⁺。

【Engineering of photocatalytic nano-organelles】通过反相微乳液法将光催化剂封装在300 nm的SiNOs中，形成光催化模块(SiNO@PC)。电子顺磁共振(EPR)证实该系统主要产生单线态氧(¹O₂)，且NAD⁺再生效率接近游离催化剂。

【Engineering of biocatalytic nano-organelles】将酒精脱氢酶(ADH)和乙醛脱氢酶(ALDH)以1:2活性比共封装于SiNOs，FRET实验证实两酶间距<5 nm。这种共定位设计使中间产物乙醛转化效率提升90%。

【Tandem photobiocatalysis】光催化与生物催化模块的联用实现了NAD⁺/NADH循环。共封装体系在6个催化周期后仍保持活性，而游离酶组因ROS损伤在2周期后即失活。

【Photobiocatalytic artificial cells】通过微流控技术将双模块整合到pGUVs中，形成具有层级结构的人工细胞。CLSM显示每个囊泡平均含9.09×10^-4 μg光催化剂和0.08 μg酶复合物。

【Alcohol detoxification】与肝细胞共培养实验表明，人工细胞可使800 mM酒精诱导的ROS水平降低至对照组的30%，且细胞膜完整性未受影响。

这项研究开创性地通过纳米尺度空间隔离解决了光催化与酶催化的兼容性问题，首次实现了人工细胞对自然细胞代谢途径的精确调控。所建立的多级区室化策略不仅为酒精性肝损伤治疗提供了新思路，更拓展了合成生物学在新型化学转化和生物医学应用中的可能性。特别是将传统上不兼容的光催化与生物催化过程成功整合，为设计"非天然"代谢通路奠定了基础。未来通过优化光捕获性能和引入电子中介体，该平台有望应用于更广泛的生物合成与疾病治疗领域。