在合成生物學領域，酵母表面展示技術長期被視為“綠色制造”的核心工具——通過將目標酶固定在酵母細胞表面，既能省去傳統工業中繁瑣的酶純化步驟，又能直接利用活細胞進行連續催化。然而，當這一技術遇上由多個亞基組成的寡聚體酶時，卻頻頻遭遇瓶頸，亞基解離導致酶結構崩塌、活性喪失，成為制約生物燃料與藥物生產的關鍵難題。

近日，清華大學李春團隊與北京理工大學劉護劉護團隊通過提出創新性的“錨定亞基-游離亞基共表達”策略，不僅顯著提升了酶的穩定性和催化效率，更將纖維素乙醇產量提高 45%，為生物制造領域注入全新動力。該成果以題為“Highly Efficient Display of Oligomeric Enzymes on Yeast Surface for Enhanced Glycyrrhizin Hydrolysis and Cellulosic Ethanol Production”發表在 ACS Synthetic Biology 上。

傳統酵母表面展示技術通常僅表達錨定在細胞壁上的酶亞基，但寡聚體酶（如四聚體的 β-葡萄糖醛酸酶 PGUS）在固定過程中容易發生亞基解離，形成無活性的二聚體。研究團隊突破常規思路，通過基因工程同步表達兩種形式的酶亞基：一部分通過錨定蛋白 Pir1 緊密連接于細胞表面，另一部分則以游離狀態存在。實驗數據顯示，這種共表達策略使 PGUS 的展示效率提升 2.1 倍，催化活性達到傳統方法的 2.27 倍。更關鍵的是，通過熒光共振能量轉移（FRET）技術實時監測，團隊首次證實共表達菌株能維持完整的四聚體結構，而傳統方法中近半數酶分子因亞基解離失去活性。

為破解酶結構分析的難題，團隊在酶亞基的特定位點嵌入非天然氨基酸，并通過點擊化學反應連接熒光探針 Cy3（供體）和 Cy5（受體）。當兩個亞基間距小于 5 納米時，供體的能量轉移至受體，產生特征性 FRET 信號。活細胞成像顯示，共表達菌株的小亞基界面信號強度是傳統方法的 1.94 倍，直觀揭示了四聚體穩定性的提升。這項技術突破使得研究人員首次能在不破壞酶結構的前提下，實時觀測釀酒酵母表面酶的組裝狀態，為后續優化提供了精準指導。

圖 | 對共表達的釀酒酵母 PGUS 系統的表征

研究團隊并未止步于單酶系統的優化，而是將策略拓展至纖維素乙醇生產的關鍵酶體系。纖維素降解需要內切葡聚糖酶（EGI）與 β-葡萄糖苷酶（BGL1）協同作用，但兩者均為寡聚體酶，傳統展示方法效率低下。通過共表達改造，EGI 和 BGL1 的活性分別提升 1.96 倍和 2.07 倍。在 1% 磷酸膨脹纖維素（PASC）的發酵實驗中，改造菌株的乙醇產量從 2.22 g/L 提升至 3.22 g/L，增幅達 45%，且達到理論轉化率的 57%。這一成果顯著優于此前報道的共展示系統，為纖維素乙醇的工業化生產掃清關鍵技術障礙。

對于行業未來，這項研究的意義遠超單項技術突破。團隊已成功將共表達策略應用于6 種工業用酶，并計劃通過機器學習優化錨定蛋白組合，進一步提升酶負載量。隨著全球碳中和進程加速，生物制造正從實驗室走向工業前線。或許在不久的將來，基于此類技術的生物反應器將矗立在乙醇工廠中，用酵母細胞表面的“酶森林”書寫綠色化學的新篇章——這不僅是科學家的愿景，更是合成生物學賦能可持續發展的真實寫照。

1.Wang Q, Sun Q, Wang J, et al. Highly Efficient Display of Oligomeric Enzymes on Yeast Surface for Enhanced Glycyrrhizin Hydrolysis and Cellulosic Ethanol Production[J]. ACS Synthetic Biology, 2025.

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