摘要：在合成生物学领域，酵母表面展示技术长期被视为“绿色制造”的核心工具——通过将目标酶固定在酵母细胞表面，既能省去传统工业中繁琐的酶纯化步骤，又能直接利用活细胞进行连续催化。然而，当这一技术遇上由多个亚基组成的寡聚体酶时，却频频遭遇瓶颈，亚基解离导致酶结构崩塌、活

在合成生物学领域，酵母表面展示技术长期被视为“绿色制造”的核心工具——通过将目标酶固定在酵母细胞表面，既能省去传统工业中繁琐的酶纯化步骤，又能直接利用活细胞进行连续催化。然而，当这一技术遇上由多个亚基组成的寡聚体酶时，却频频遭遇瓶颈，亚基解离导致酶结构崩塌、活性丧失，成为制约生物燃料与药物生产的关键难题。

近日，清华大学李春团队与北京理工大学刘护刘护团队通过提出创新性的“锚定亚基-游离亚基共表达”策略，不仅显著提升了酶的稳定性和催化效率，更将纤维素乙醇产量提高 45%，为生物制造领域注入全新动力。该成果以题为“Highly Efficient Display of Oligomeric Enzymes on Yeast Surface for Enhanced Glycyrrhizin Hydrolysis and Cellulosic Ethanol Production”发表在 ACS Synthetic Biology 上。

传统酵母表面展示技术通常仅表达锚定在细胞壁上的酶亚基，但寡聚体酶（如四聚体的 β-葡萄糖醛酸酶 PGUS）在固定过程中容易发生亚基解离，形成无活性的二聚体。研究团队突破常规思路，通过基因工程同步表达两种形式的酶亚基：一部分通过锚定蛋白 Pir1 紧密连接于细胞表面，另一部分则以游离状态存在。实验数据显示，这种共表达策略使 PGUS 的展示效率提升 2.1 倍，催化活性达到传统方法的 2.27 倍。更关键的是，通过荧光共振能量转移（FRET）技术实时监测，团队首次证实共表达菌株能维持完整的四聚体结构，而传统方法中近半数酶分子因亚基解离失去活性。

为破解酶结构分析的难题，团队在酶亚基的特定位点嵌入非天然氨基酸，并通过点击化学反应连接荧光探针 Cy3（供体）和 Cy5（受体）。当两个亚基间距小于 5 纳米时，供体的能量转移至受体，产生特征性 FRET 信号。活细胞成像显示，共表达菌株的小亚基界面信号强度是传统方法的 1.94 倍，直观揭示了四聚体稳定性的提升。这项技术突破使得研究人员首次能在不破坏酶结构的前提下，实时观测酿酒酵母表面酶的组装状态，为后续优化提供了精准指导。

图 | 对共表达的酿酒酵母 PGUS 系统的表征

研究团队并未止步于单酶系统的优化，而是将策略拓展至纤维素乙醇生产的关键酶体系。纤维素降解需要内切葡聚糖酶（EGI）与 β-葡萄糖苷酶（BGL1）协同作用，但两者均为寡聚体酶，传统展示方法效率低下。通过共表达改造，EGI 和 BGL1 的活性分别提升 1.96 倍和 2.07 倍。在 1% 磷酸膨胀纤维素（PASC）的发酵实验中，改造菌株的乙醇产量从 2.22 g/L 提升至 3.22 g/L，增幅达 45%，且达到理论转化率的 57%。这一成果显著优于此前报道的共展示系统，为纤维素乙醇的工业化生产扫清关键技术障碍。

对于行业未来，这项研究的意义远超单项技术突破。团队已成功将共表达策略应用于 6 种工业用酶，并计划通过机器学习优化锚定蛋白组合，进一步提升酶负载量。随着全球碳中和进程加速，生物制造正从实验室走向工业前线。或许在不久的将来，基于此类技术的生物反应器将矗立在乙醇工厂中，用酵母细胞表面的“酶森林”书写绿色化学的新篇章——这不仅是科学家的愿景，更是合成生物学赋能可持续发展的真实写照。

参考链接：

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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来源：生辉SciPhi