Permeable and robust polymer-silica hybrid armor on cell catalyst for sustainable biomanufacturing
程怡然，吴振华，张博禹，张佳旭，石家福*，姜忠义*
Keywords: Biomanufacturing; Whole cell catalysis; Polymer-silica hybrid armor; Tagatose production; Starch conversion
DOI: 10.1016/j.partic.2024.05.002
该成果发表于PARTICUOLOGY （Volume 92），并在美国科学促进会AAAS主办的全球科技新闻网站EurekAlert!报道，欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码查看详情或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
要点精读
全细胞催化是绿色生物制造的几项核心技术之一，可分为活细胞催化、静息细胞催化和灭活细胞催化。其中，灭活细胞催化技术具有成本低、产物纯化简单等优点。然而，灭活细胞中酶的易失活和易泄漏问题限制了灭活细胞催化的实际应用。在灭活细胞表面构建铠甲是一种可行且有效的策略，可增强酶的稳定性并抑制酶的泄漏。氧化硅细胞盔甲（Silica armor, SA）具有成本低、结构可控、符合食品安全要求等特点，在固定化细胞合成高附加值化学品方面有很大潜力。然而，SA在强度和通透性方面存在trade-off效应，难以制备兼具高强度和高通透性的盔甲。
天津大学姜忠义教授/石家福教授团队通过聚乙烯亚胺（PEI）诱导硅前驱体四乙氧基硅烷（TEOS）和3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）水解和缩合，一锅法在细胞表面构建了聚合物-二氧化硅混合细胞盔甲（Polymer-silica hybrid armor, PSHA）。PEI是一种阳离子聚合物，具有出色的细胞粘附性能。由于PEI具有大分子量和枝状结构，能为PSHA创造丰富的孔道，PSHA的总孔隙率是由TEOS和APTES直接水解缩合形成SA的1.45倍。因此，与细胞@SA相比，细胞@PSHA 对底物的渗透性高出1.52倍。同时，由于PEI与硅网络之间的静电作用（R–NH3+与Si–O-）和氢键作用（N···H或O···H），细胞@PSHA 的杨氏模量比细胞@SA高3.13倍，从而使半衰期（70 ℃）提高了2.75倍。高通透性和高强度使细胞@PSHA在工业应用中有不错的表现，细胞@PSHA可连续催化淀粉转为功能糖，反应15批次，长达969 h，平均产量高达77.76 g L-1，展现出很好的工业前景。该研究为构建细胞盔甲提供了一种创新且有效的策略，为全细胞催化的工业应用做出了积极的尝试。
亮点总结
- 开发了一种仿生矿化涂层方法，直接在细胞表面构建了聚合物-氧化硅杂化细胞盔甲（PSHA）。
- 细胞@PSHA兼具高底物通透性和强化学/机械稳定性，与游离细胞相比，细胞@PSHA催化活性维持88.24%且杨氏模量提高3.13倍。
- 细胞@PSHA可连续催化淀粉转化反应15批次，时长达969小时，具有良好的工业应用前景。
通讯作者
石家福，天津大学英才教授，国家优秀青年科学基金获得者，国家重点研发计划青年项目首席科学家。美国化学会I&ECR有影响力研究学者，ChemBioTalents2022入选者。天津市青年科技优秀人才，天津市优秀博士学位论文获得者。长期从事酶催化生物制造过程研究。围绕碳资源高效利用的重大需求，针对酶催化领域的两个关键问题，“活性-稳定性难以高度统一”和“质-能转化难以高效协同”，提出基于“多孔网络限域”和“仿生光合供能”思想设计酶催化系统的新策略和新方法，构建了网络材料固定化酶催化系统和“人工类囊体”酶-光偶联催化系统，揭示了清洁能源驱动酶促转化过程中质子-电子-分子传递与催化反应间协调新机制，实现了淀粉、CO2等可再生碳资源高效转化。在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.、ACS Nano、Chem. Soc. Rev.、Chem.等期刊发表SCI论文100余篇，论文被SCI总引5600余次，H因子40。获天津市自然科学奖一等奖1项、中国石油和化学工业联合会科技进步奖二等奖1项。担任中国颗粒学会青年理事、中国生物工程学会一碳生物技术专委会委员。担任ACS Sustainability Chemistry & Engineering、Bioresources and Bioprocessing等期刊青年编委/编委。
姜忠义，天津大学讲席教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者讲座教授，国家“万人计划”科技创新领军人才。中国化工学会会士，中国化学会会士，英国皇家化学会会士。科技部重点领域创新团队负责人，国家重点研发计划项目首席科学家。长期从事膜和膜过程、酶催化、光催化等研究。面向资源、能源、环境领域国家重大需求和国际科技前沿，开拓了“仿生与生物启发膜和膜过程”这一膜领域的新研究方向，率先提出“有机分子筛膜”和“新三传（电子传递、质子传递和分子传递）”的新概念。在Nature Sustainability等期刊发表SCI论文700余篇，论文被SCI总引43000余次，H因子108。作为第一完成人获省部级科技奖一等奖四项。担任ACS京津冀分会主席，担任多个国内外学术期刊的副主编和编委。连续入选中国高被引学者（化学工程）榜单，全球高被引学者（化学工程）榜单。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Cheng, Y., Wu, Z., Zhang, B., Zhang, J., Shi, J., & Jiang, Z. (2024). Permeable and robust polymer-silica hybrid armor on cell catalyst for sustainable biomanufacturing. Particuology, 92, 106-112. https://doi.org/10.1016/j.partic.2024.05.002