研究人员正持续探索利用酵母、细菌等微生物的细胞机制，生产药品、除草剂及其他天然与工业产品的新路径。卡尔·R·沃斯基基因组生物学研究所的一项概念验证研究提出，通过引入光驱动的酶促反应，可扩展微生物的生物合成能力。

该研究发表于《Nature Catalysis》。论文展示了研究团队如何将大肠杆菌（Escherichia coli）工程化，使其在细胞内完成光驱动的酶促反应并生成新分子。研究人员称，这一工作为光生物催化这一新兴方向的后续发展提供了可参考的框架。

化学与生物分子工程Steven L. Miller讲席教授、BSD负责人Huimin Zhao在论文中表示，光生物催化可理解为“酶的光激活催化”：在没有光照时，目标酶无法催化反应；当加入光后，目标酶被激活并推动反应进行。Zhao指出，团队此前已发表多篇研究，显示将光催化与酶催化结合可形成一类“人工光酶”，从而催化天然酶难以实现、且化学催化也非常困难甚至无法实现的选择性反应。

生物制造依赖微生物及其酶促反应来合成分子。研究人员指出，酶催化的优势在于选择性强，倾向于对特定形状和大小的分子进行转化；但由于酶可催化的反应类型少于化学催化剂，生物制造在可生产的化学品与材料种类上相对受限。

光生物催化被视为拓展生物制造能力的潜在途径，但将光酶反应纳入细胞代谢仍面临挑战。研究团队表示，已知的大多数光酶反应难以直接整合进细胞代谢网络。Zhao团队此前在体外应用中取得进展，但若要用于生物制造，需要适配体内环境。

Zhao表示，团队的策略是将光酶整合进细胞代谢，以便利用整细胞把廉价原料葡萄糖转化为更高价值的产品。

在本研究中，由博士后研究员、论文第一作者袁宇杰带领的团队，围绕氢烷基化、氢胺化和氢芳基化三类化学转化，构建生物合成平台。研究人员使用合成生物学工具对大肠杆菌进行工程化改造，使其能够共同生产反应所需的全部组分，包括光催化反应所需的一类称为自由基的分子。团队强调，该平台实现了完整整合，无需外部物料输入。

袁宇杰表示，平台不需要额外添加自由基前体，大肠杆菌可在整细胞内同时生产光酶、自由基前体和底物。

在对平台进行优化后，研究团队测试了不同自由基前体以评估兼容性。袁宇杰称，团队评估了六种不同的光酶反应，结果显示平台可兼容这些反应；同时，研究人员还在生物反应器中对其中四种光酶反应进行了放大生产测试。

研究团队指出，要将该技术推广至研究实验室之外仍需改进。其中一个待解决问题是，在生物反应器进行大规模生产时产物滴度较低，即目标产物产量不足。袁宇杰表示，光酶反应的条件受工艺限制，需要光照与厌氧条件并存，在生物反应器中确定合适条件是一项重大挑战。

研究人员还提到，目前缺乏专门用于光驱动生物合成的生物反应器，也缺少收集反应器内光照强度数据的手段，增加了优化难度。团队正在探索解决方案，包括与相关公司沟通定制生物反应器的可能性。

研究团队表示，下一步计划利用该光生物合成平台合成高价值产品，例如FDA批准的药物或除草剂。Zhao指出，这项工作属于概念验证，证明了将具有新颖反应性的工程酶整合进细胞代谢，并生产过去生物或化学方法难以制造的化合物在技术上具备可行性。