NAT COMMUN ∣ 人工孢子化的大肠杆菌，用于高效的界面生物催化
文献信息：
作者：Zhiyong Sun, René Hübner, Jian Li, Changzhu Wu
发表时间：06 June 2022
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30915-2
Nature Communications 影响因子：16.6
背景介绍
细菌在极端环境下能形成休眠孢子，外层由多层保护壳包裹，可抵御紫外线、高温和化学攻击，使遗传物质长期存活。受此启发，研究者尝试在普通细胞外“披”上一层人工外壳，构建“人工孢子”，让细胞既保持活性，又获得类似孢子的耐久力，从而用于全细胞催化。然而，过去的人工孢子只能包裹少数几种天然微生物，且依赖其内源酶，种类有限、活性受限，尚未成为一种普适的合成平台。
最新研究突破了这一局限：以大肠杆菌这一最常用的基因工程底盘为基础，在其表面均匀包覆一层聚多巴胺，几分钟内即可形成厚度约40 nm的“盔甲”。这层外壳赋予细胞三重能力：
1. 耐受极端条件——紫外线照射2小时、高温或有机溶剂处理下，存活率仍超80%；
2. 稳定水-油乳液——人工孢子自发吸附在油滴表面，形成微米级“Pickering乳液”，反应界面面积扩大数百倍；
3. 兼容多种反应——既能表达单一重组酶，也能在同一细胞内共表达多酶级联，甚至可与钯纳米颗粒等化学催化剂协同，完成化学-酶促串联反应。
由此，一个简单、通用且可规模化的“细胞工厂”平台诞生：任何可在大肠杆菌中表达的酶，都能借助人工孢子在极端或两相体系中持续催化，为药物、精细化学品及能源分子的绿色合成提供了新思路。
图文解读
图1 大肠杆菌（E. coli）细胞作为人工孢子用于界面生物催化的涂层示意图
ADH：醇脱氢酶；CalB：南极假丝酵母脂肪酶B；Pd：钯。
图2
a) 大肠杆菌细胞上人工孢子形成的示意图。
b, c) 不同放大倍数下原始大肠杆菌细胞的横截面明场透射电子显微镜（TEM）图像，以及
e, f) 不同放大倍数下人工孢子的图像。
d) 原始大肠杆菌细胞和
g) 人工孢子的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图3
a) 原始大肠杆菌细胞和
b) 人工孢子的活/死测定；绿色 – 活细胞；红色 – 死细胞。
c) 原始大肠杆菌细胞（绿色曲线）和人工孢子（蓝色曲线）的生长曲线。
(c)的结果为三次平行实验的平均值。误差条表示三次平行测量的标准偏差，n = 3。
图4
a) 未涂层大肠杆菌细胞和人工孢子在紫外线（UV）照射下的示意图。
b) 未涂层细胞和c) 人工孢子在UV处理2小时后的活/死测定；绿色 – 活细胞；红色 – 死细胞。
d) 苯甲醛裂解酶（BAL）在UV处理下的稳定性；蓝色柱 – 人工孢子；绿色柱 – 未涂层细胞。
e) 未涂层细胞和人工孢子在界面应力（即甲苯-水双相条件）下的示意图。
f) 未涂层细胞和
g) 人工孢子在界面应力处理2小时后的活/死测定；绿色 – 活细胞；红色 – 死细胞。
h) BAL在界面应力下的稳定性；蓝色柱 – 人工孢子；绿色柱 – 未涂层细胞。
(d, h)的结果为三次平行实验的平均值。误差条表示三次平行测量的标准偏差，n = 3。
图5
a) 乳液制备示意图。
b) 乳液在0小时和24小时的外观。
c) 乳液的光学显微镜图像。
d) 油包水乳液的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像；红色 – 有机相，绿色 – 水相。
e) 含绿色荧光蛋白（GFP）的人工孢子稳定的乳液滴plet示意图。
f) 单个乳液滴plet的CLSM图像和
g) 由含GFP的人工孢子稳定的乳液的CLSM图像。
h) 单个乳液滴plet表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图6
a) CalB催化的模型酯化反应。
b) 不同油水比乳液的酶活性（左侧纵轴）和表面积（右侧纵轴，蓝色曲线）。
c) 来自人工孢子乳液（蓝色）、硅颗粒乳液（黄色）和未乳化双相系统（绿色）的CalB反应曲线。
d) 人工孢子的重复使用。
e) BAL催化的苯偶姻缩合反应。
f) 在人工孢子乳液（蓝色）和双相对照（绿色）中的BAL催化反应曲线。
g) 在人工孢子内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氢（NADH）再生用于乙酰苯胺还原反应，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）为氧化型。
h) 在人工孢子乳液（蓝色）和双相对照（绿色）中的ADH-a催化反应曲线。
(b–d, f, h)的结果为三次平行实验的平均值。误差条表示三次平行测量的标准偏差，n = 3。
图7
a) 使用嗜热杆菌醇脱氢酶（ADH-ht）和CalB的级联反应。
b) 在人工孢子乳液（蓝色）和双相对照（绿色）中的反应曲线；插图是CLSM拍摄的乳液图像；红色 – 有机相，绿色 – 水相。
c) 使用ADH-ht和BAL的级联反应，以及
d) 在人工孢子乳液（蓝色）和双相对照（绿色）中的反应曲线；插图是CLSM拍摄的乳液图像；红色 – 有机相，绿色 – 水相。
(b, d)的结果为三次平行实验的平均值。误差条表示三次平行测量的标准偏差，n = 3。
图8
a) 载钯纳米颗粒（Pd-NPs）的人工孢子（Pd@AS）的示意图。Pd-NPs：钯纳米颗粒。
b) Pd@AS横截面的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（STEM）图像。
c) 基于STEM-EDXS的Pd（粉色）元素分布图。EDXS：能量色散X射线光谱。
d) 人工孢子的生长曲线；插图显示其在琼脂平板上的生长。
e) Pd@AS形成乳液的示意图。
f) 由Pd@AS稳定的乳液的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像；红色 – 有机相，绿色 – 水相。
g) Pd纳米颗粒和CalB催化的化酶级联反应方案，以及
h) 在人工孢子乳液（蓝色）和双相对照（绿色）中的反应曲线。
(d, h)的结果为三次平行实验的平均值。误差条表示三次平行测量的标准偏差，n = 3。
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