体外多酶催化是近年来合成生物学新兴的一种生物催化技术，在生物制造领域具有广阔的应用前景。然而，体外多酶催化经常需要辅因子（如ATP和NADPH）参与，而天然辅因子的稳定性、成本，以及与多酶间的适配性，会制约整个催化系统的性能。传统的解决方法主要是构建基于酶催化的辅因子再生模块，但该方法需要引入新的酶和共底物，或者利用体系自身的底物提供辅因子再生的能量，会降低催化系统的原子经济性。通过电催化、光催化或人工脂质体的方法可以分别再生NADPH或ATP，却无法实现NADPH和ATP的共再生，对于一些同时需要这两种辅因子的系统就无法使用。
天然类囊体膜，作为自然界生物系统常用的能量转化模块，具有光能转化效率高、ATP和NADPH共再生能力强、电子传递效率高等优点，是非常理想的可用以解决体外多酶催化系统中NADPH和ATP共再生问题的“绿色引擎”。近日，中国科学院天津工业生物技术研究所朱之光研究员带领的团队将天然类囊体膜引入体外生物催化系统，成功构建了以乙酸钠为原料合成PHB的光驱动体外生物催化系统。该系统通过体外酶级联耦合菠菜来源的类囊体膜，实现了NADPH和ATP的高效共再生。通过对酶级联、类囊体膜和辅因子等一系列因素的优化，可实现以50 mM乙酸钠原料合成约20 mM PHB，碳摩尔转化率达80.0%，光能转化率达3.04%。这种将类囊体膜作为驱动酶级联反应的绿色引擎的策略，既实现了光能利用与物质转化的良好时空耦合，为PHB的合成提供了一条可行的途径，也为光驱动其他体外生物催化系统的设计和工程改造提供了新思路。
该研究获得了天津市合成生物技术创新能力提升行动和特别博士后等项目的资助，论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志。天津工业生物所博士后李飞为论文第一作者，朱之光研究员为论文通讯作者。
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利用类囊体膜驱动体外多酶催化乙酸盐合成PHB原理示意图