2026年1月23日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的赵惠民教授团队在Nature Catalysis期刊上发表了一篇题为“Harnessing photoenzymatic reactions for unnatural biosynthesis in microorganisms”的研究成果。

该成果首次将光酶反应与微生物代谢耦合，采用合成生物学策略，构建了微生物非天然光生物合成体系。工程化细胞能够以葡萄糖为碳源持续合成底物、光酶并再生辅因子，在外源或体内生成自由基前体的条件下，实现可发酵、可放大的非天然光生物合成。论文通讯作者是赵惠民教授；第一作者是苑玉杰博士和李茂霖研究员。

尽管光酶催化在反应多样性方面表现出显著优势，现有光酶催化体系在规模化应用方面仍面临关键挑战，如高酶用量、稳定性不足及对蛋白纯化的依赖等。以往研究主要聚焦体外或全细胞体系中的反应类型拓展，而对其向稳定、可放大的生产体系转化关注不足。为解决该难题，赵惠民教授团队通过将光酶催化反应整合进活细胞体系，构建了体内非天然光生物合成平台，实现了可扩展、可持续的微生物光驱动反应（Fig. 1）。研究者对大肠杆菌进行了工程化改造，通过共表达烯还原酶光酶与从头设计的烯烃生物合成通路，并外源补充或体内合成自由基前体，在体内实现了光酶催化烷基化、胺化和磺酰化反应，从而合成多种非天然产物。进一步地，研究引入吲哚生物合成通路，并结合定向进化策略，在蓝光条件下显著增强了4-乙烯基苯酚的光酶催化芳基化活性，最终实现了苯酚-吲哚类化合物 4-(2-(3a,7a-二氢-1H-吲哚-3-基)乙基)苯酚（DIEP）的完全从头生物合成。

Fig. 1. Integration of in vitro new-to-nature enzymatic reactions into in vivo biosynthetic pathways.

Fig. 2. Design and optimization of an in vivo photobiosynthesis platform.

研究组以黄素依赖型烯还原酶为切入点，构建并优化了体内非天然光生物合成体系（Fig. 2）。体外筛选发现，OYE3突变体OYE3_N194Y在蓝光条件下对三氟碘乙烷介导的自由基反应具有较高催化活性。研究者进一步在大肠杆菌中重构 4-乙烯基苯酚的生物合成通路，实现了从葡萄糖出发的底物原位供给，并在厌氧蓝光条件下完成体内光酶催化氟烷基化反应。通过系统优化NADPH再生、通路表达强度及基因拷贝数，目标产物TFBP的产量较初始菌株提升近20倍，验证了体内光生物合成在催化效率和工程可行性上的优势。进一步重构苯乙烯生物合成通路并拓展反应类型（Fig. 3）表明，该平台可兼容多种光酶催化烷基化、胺化和磺酰化反应，并在生物反应器中通过双阶段补料发酵实现放大运行，显示出良好的通用性和规模化潜力。

Fig. 3. Expanding the scope of the in vivo photobiosynthesis platform.

Fig. 4. Coupling photoenzymatic reactions into metabolic networks.

在实现自由基前体外源供给的体内光生物合成基础上，研究组进一步完成了光酶反应在微生物中的全通路整合，通过在大肠杆菌中同步重构自由基前体（吲哚）、底物（4-乙烯基苯酚）及光酶的生物合成途径，实现了非天然分子DIEP的完全从头光生物合成（Fig. 4）。通过优化黄素辅因子供给、调控基因拷贝数并结合定向进化策略，获得了活性显著提升的OYE1变体，使体内光酶反应效率显著增强。在生物反应器中，采用分阶段补料发酵和光控策略，在精确控制溶氧、光照和代谢通量的条件下，DIEP的产量提升至克每升级别。进一步的调控表明，通过解耦不同底物通路的诱导时序，可有效缓解代谢竞争与产物毒性限制，显著提升生产效率。

该工作不仅展示了光酶反应在活细胞中实现完全生物合成和工程化放大的可行性，也验证了所合成非天然分子具有广谱抗菌活性，为光驱动非天然生物合成在功能分子制造中的应用提供了重要示范。同时，该研究突破了天然生物体系在反应类型上的限制，拓展了生物系统的合成能力。这一成果为发展以光驱动酶促反应为核心的可持续生物制造奠定了基础，为高附加值药物分子、生物活性化合物及复杂天然产物的绿色生产提供了新的技术路径。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-025-01470-y