近期，我校生物工程学院聂尧教授课题组针对仿生多酶级联反应在绿色化学和高价值化学品合成中的最新进展进行了系统综述，以“Enzyme symphony in bio-inspired multi-enzyme cascades for enhanced biosynthesis”为题正式发表于Biotechnology Advances。
多酶级联反应通过多个酶的顺序协同，实现从廉价原料到高价值化合物的连续复杂生物合成，其优势主要体现在高效的中间体转移、途径通量最大化、原子经济性高、克服热力学限制以及在温和条件下操作，从而提升可持续性和绿色化学价值。然而，多酶级联目前面临的主要瓶颈包括酶的不相容性（如动力学差异、最适pH/温度不匹配和相互抑制）、空间组织缺失导致的中间体扩散或不稳定性、毒性副产物积累以及实际应用的系统性挑战。为解决这些问题，研究人员通过仿生多酶级联，对级联中的酶进行精确调控，实现酶之间功能协调，如交响乐团的同步协作，从而解锁其合成潜力。
该综述聚焦于仿生多酶级联，文章从“级联合成能力—多酶构建形式—调控机制—未来方向”四个角度出发，全面探讨了多酶级联的应用潜力，强调了酶之间精确协调、底物通道的形成与动态调控对催化效率的提升。首先，综述介绍了多酶级联在廉价原料的高效利用、辅因子再生、共底物供应及生物质资源转化中的优势，例如利用多酶系统进行NAD+再生、消除过氧化氢抑制、提高糖基化效率等。此外，精妙的多酶级联生物合成强调了原子经济性、克服热力学限制和复杂化合物的简洁合成。其次，综述详细探讨了四种级联体系中多酶构建形式：游离酶、多酶组装复合物、融合酶和生物基（如蛋白质支架、核酸支架和细胞等）固定酶，以及在微环境限制下的单细胞级联、多细胞级联和人工隔室中的应用，强调了其在提高产物产量和催化效率方面的优势。之后，文章讨论了多酶复合体的空间组织形式与动态调控机制，如刺激响应型自组装及触发系统，提供了人工系统设计的灵感。最后，综述展望了AI辅助生物合成路径设计和人工多酶复合物理性构建的前沿技术，这些策略将推动多酶级联在工业化应用中的转型，实现可持续的生物制造。
聂尧教授为本文的通讯作者，2021级博士生刘欢为论文第一作者。本项工作得到国家重点研发计划（2021YFC2102000）、国家自然科学基金（22378168, 22178147）等项目的联合资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2025.108789
仿生多酶级联中的酶交响曲以增强生物合成
