作者：张佳轶、白云鹏
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白云鹏教授团队在人工光合生物制造方面取得重要突破，相关成果以“Liquid-Liquid Phase Separation Modulated Thylakoid–Enzyme Interfacial Coupling for Enhanced Light-Powered Biocatalysis”为题，发表于国际知名期刊《德国应用化学》。
类囊体（Thylakoid, TK）膜是植物和蓝细菌天然的光合作用膜，可利用光能实现烟酰胺类辅因子（NADPH）的原位再生，避免额外添加辅助酶和共底物，是光驱动生物催化合成高值化学品的理想平台。然而，在常规类囊体-酶的混合体系中，光反应生成的NADPH需扩散穿过本体溶液才能被游离酶利用，氧化后的NADP+又需重新扩散至类囊体膜完成再生。这种空间隔离显著降低辅因子传递效率，使表观反应速率受限于辅因子再生-传递动力学，尤其在NADPH池有限时，这一问题更加突出。因此，如何在类囊体膜界面实现光驱动辅因子再生与酶催化过程的高效空间耦合，是构建高效人工光合生物催化体系面临的重要挑战。
针对上述难题，白云鹏团队提出了利用液-液相分离（LLPS）驱动的酶凝聚体-类囊体膜界面耦合策略，将组蛋白去甲基化酶UTX来源的内在无序区域（IDR）与羰基还原酶SmCRV4或烯还原酶SsERA314S融合，借助IDR介导的LLPS形成富酶凝聚体。通过IDR与类囊体膜之间的多价弱相互作用，将酶凝聚体稳定锚定于类囊体膜表面，使酶催化反应集中于光生NADPH位点附近，实现辅因子再生与酶促反应的空间耦合。与游离酶体系相比，TK–UTX-SmCRV4杂化凝聚体系的产物得率最高提升3.1倍；TK–UTX-SsERA314S杂化体系在20分钟内的底物转化率达到对照体系的2.9倍。该体系能够支持间歇光照和长时间连续光照反应，在多轮底物补料循环后仍可保持催化活性，并可在自然光照下进行反应，展现出良好的运行稳定性。
图片说明：液-液相分离介导的类囊体-酶界面耦合及光驱动生物催化示意图
为解析类囊体-酶界面耦合的分子作用机制，研究开展了粗粒化分子动力学模拟，结果表明IDR结构域通过高频、多价的残基-脂质相互作用实现动态膜锚定，其中短程伦纳德-琼斯力（范德华力、疏水作用等）占据主导地位，静电库伦力发挥辅助作用。多拷贝蛋白模拟观察到锚定蛋白之间自聚集，说明膜界面上依旧维持凝聚体分子间相互作用。酶催化结构域暴露于水相环境，从而在膜界面富集的同时保持催化可及性。与蛋白在膜内部穿插或完全平铺于膜表面的模式不同，该体系实现了膜锚定、蛋白聚集与酶活性保持之间的有效平衡。
研究将LLPS与天然光合膜体系相结合，通过空间耦合与限域效应强化辅因子的再生和循环利用，提高光驱酶反应的整体效率。该策略不依赖复杂化学修饰，可推广至其他辅因子依赖的光-酶反应体系设计，有望为人工光合生物制造提供新范式。
论文第一作者为“拔尖创新人才培养计划”博士生张佳轶，通讯作者为白云鹏教授，研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
原文链接：//doi.org/10.1002/anie.7079393