合成生物学中代谢的空间优化的自然策略

细胞膜结合的细胞器对细胞功能进行的胞内空间组织是真核细胞的一个特征。除了前面提到的氢酶体外，其他细胞器如过氧化物酶体、液泡、线粒体和叶绿体也将专门的代谢反应与细胞质隔离开来。这些细胞器的性质可以被修改或模仿，以改进工程化的代谢途径。

细菌微区室（BMCs）通常是一些几何形状的蛋白质外壳参与碳固以及有毒化合物的代谢（图3b）。

羧酸体是一个备受关注的BMCs，参与碳固定。羧酸体容纳核糖酮-1,5-双磷酸羧化酶氧化酶，通常称为RuBisCo，这是卡尔文循环的关键酶，将气态二氧化碳固定到核糖酮-1,5-双磷酸形成3-磷酸甘油醛。

所有已知的RuBisCo酶都无法区分二氧化碳和氧气；蓝藻和高等植物通过大量表达RuBisCo并将其在空气光合机器中进行空间隔离来解决这个问题。

与过氧化物酶体中AOX的表达一样，羧酸体中RuBisCo的浓度提供了足够的保护，使光合作用和碳固定能够在基本上与大肠杆菌细胞大小相同的细胞中共存。与Anabaena异形囊胞的形成一样（图2b），蓝藻细胞中羧酸体的排列是高度有结构的，以确保碳固定机器在细胞分裂时均匀分布（图3b）。

对于合成生物学家来说，纤维素结构的复杂性既是设计新型生物材料的灵感源泉，也是生产纤维素生物燃料的技术障碍。

植物中的纤维素是由36个酶"莲座"产生的，这些酶沉积了36条多糖链，这些多糖链缠绕在一起形成纤维素。

这些纤维与半纤维素、木质素、果胶和其他相关蛋白质交织在一起，形成一个致密的结晶基质，很难分解。因此，空间组织在纤维素分解过程中发挥着重要作用。

纤维素体是能够分解纤维素的少数酶系统之一，它是厌氧细菌表面的一种巨型细胞外复合体。该复合体的核心是一种非催化支架蛋白，其上有模块化的支架蛋白结构域和碳水化合物结合结构域。

纤维素酶具有dockerin 结构域，可与主支架上的支架蛋白结构域结合。支架有两个关键功能：它能将纤维素酶、半纤维素酶和其他酶集中在一起，还能将细菌细胞直接附着在植物细胞壁上。这样，纤维素体就夹在植物物质和宿主细胞之间，使宿主优先获得降解产物（图 4a）。

与细胞外的纤维素体一样，酶复合物在细胞内以类似的模块化方式组织产生复杂代谢物和聚合物的代谢反应。

由多个不同蛋白质结构域组成的多功能酶通常将反应物的活性位点聚集在一起，从而限制了中间产物在进行下一次酶转化之前必须扩散的距离。

少数酶通过底物隧道进一步缩短了中间体在活性位点之间的扩散距离，不稳定化合物可以通过这些隧道在不同结构域之间进行单向扩散。

多酮合成酶是一类多功能酶复合物，因其进化的灵活性而受到生物工程专家的特别关注。多酮类化合物是一大类多种多样的复杂天然产物，具有许多重要的药用功能，包括抗生素和抗肿瘤活性。

多酮合成酶和其他与进化相关的迭代链延长复合体（如脂肪酸合成酶或非核糖体肽合成酶）就像一条 "装配线"，将不断增长的链从一个结构域传递到下一个结构域（图 4b）。

代谢酶之间的物理相互作用可提高许多代谢途径的通量，但在电子传递反应中绝对至关重要，因为电子必须以量子力学方式在电子结合金属簇之间以14 å的最佳距离隧穿。这一点在线粒体或叶绿体的膜结合电子传递链（图 5a）以及Shewanella或Geobacter等细菌的电生途径中最为明显。

电生细菌利用膜结合电子传递链"呼吸"细胞外的金属，将多余的还原力通过膜排出并产生电流。

在每个电子传递系统中，连接的细胞色素、醌和其他含铁硫簇的氧化还原酶都固定在膜上，从而将寻找合适的相互作用伙伴的搜索空间缩小到只有两个维度。

通过多个铁氧还蛋白结构域的重组和融合，可以设计出多功能电子传递酶，将多种生物体内的电子传递酶连接成可在体外或体内发挥作用的大型蛋白质融合体。

例如，科学家设计了铁氧还蛋白与其伙伴铁氧还蛋白-氧化还原酶之间的融合，包括[Fe-Fe]-氢化酶，它们利用铁氧还蛋白携带的电子将质子还原成氢气。

将氢化酶与相铁氧还原蛋白融合后，产生的氢气增加了近五倍。在体外将氢化酶直接与光系统 I 融合可实现高效的光生物制氢（图 5b）。

将电子传递酶系在人工支架蛋白上也能将合成电子传递途径的体内产氢量提高三倍。

由 RNA 链折叠成一维带状或二维片状的自组装支架也可设计用于拴系电子传递途径，将异源途径的产氢量提高近50倍（图 5c）。RNA 支架是可在许多系统中发挥作用的正源系统，为许多代谢途径的空间组织创造了一种通用工具。