《Biotechnology Advances》：From biopolymers to microcompartments: A structured review of protein-based scaffolds for enzyme immobilization
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酶固定化技术通过蛋白支架和细菌微 compartment（BMCs）实现纳米级空间组织与代谢通路精准调控，提升多酶级联反应效率及生物催化稳定性。传统方法在空间定位和毒性代谢物隔离方面存在局限，而BMCs凭借可编程的蛋白外壳、选择性渗透及多酶共封装特性成为前沿平台。合成生物学技术如正交外壳工程和模块化 cargo 招募进一步拓展了其应用场景，为代谢工程与细胞外系统开发提供新策略。
Komal S. Timane | Chiranjit Chowdhury
生物化学科学部，CSIR-国家化学实验室，浦那 411008，印度
摘要
酶固定化是提高生物催化剂在工业和生物医学应用中性能的基础策略。尽管传统的载体（包括生物聚合物、有机基质和无机支架）已在成熟的生物催化过程中得到广泛应用，但它们在提供精确的纳米级空间组织和路径级反应控制方面的能力仍然有限，尤其是在多酶级联反应、合成代谢途径和无细胞系统等应用中。虽然与酶稳定性、重复使用和表观反应效率相关的挑战通常可以通过成熟的生物化学工程策略（例如载体功能化、反应器设计和过程优化）来缓解，但这些方法并不能轻易实现可编程的酶共定位或代谢物通道化，因此激发了更先进支架系统的开发。在这篇综述中，我们从天然衍生的生物聚合物支架开始，逐步讨论工程化的蛋白质支架，最终探讨细菌微隔室（BMCs）这一新兴的、类似细胞器的平台。我们讨论了这些蛋白质支架的结构和功能多样性，包括自组装纳米结构、类病毒颗粒和模块化相互作用系统。特别强调了BMCs在空间精确性、选择性通透性和封装多酶途径方面的能力。合成生物学的最新进展，从正交壳层工程到模块化货物招募，突显了它们在途径设计和代谢控制方面的变革潜力。本文综合了当前的发展，旨在为未来的支架设计提供参考，并拓宽生物催化的应用范围。
引言
酶的空间组织是催化效率、途径特异性和代谢控制的基本决定因素（Conrado等人，2008年；Buchner等人，2013年）。从表面吸附到封装的各种固定化策略长期以来一直被用于提高工业和生物医学应用中的稳定性、重复使用性和过程集成性（Maghraby等人，2023年；Tadesse和Liu，2025年；Abdel-Mageed，2025年）。这些常用的固定化策略包括吸附和共价结合、捕获和封装，如图1所示。基于蛋白质的支架已成为酶固定化的特别多功能载体，尤其是在需要精确酶定位、控制多酶途径组装和可调局部催化环境的应用中。这样的系统非常适合级联反应和扩散受限的过程，在这些过程中，活性、稳定性和底物流动必须仔细平衡（Schoffelen和van Hest，2012年；Hagen等人，2018b年；Zhang等人，2019年；Kerfeld和Sutter，2020年；Caparco等人，2022年）。
虽然已经描述了许多支架，但它们在结构复杂性、模块化和对货物定位的控制方面存在很大差异。以往的综述通常针对个别支架系统（如类病毒颗粒、包囊蛋白或水凝胶），或专注于特定应用领域。然而，目前还没有一个统一的框架将支架类型整合到一个连续的设计谱系中，将生物物理性质与功能性能联系起来。本综述通过提出一个分层的分类体系来填补这一空白，涵盖了天然生物聚合物、工程化蛋白质组装和自组装细胞器。表1提供了基于蛋白质的支架的简要概述，强调了它们的重点、关键策略、代表性系统及其功能属性，并展示了从简单生物聚合物到具有更高精确性、模块性和可调性的工程化BMCs的进展，以用于先进的生物催化和合成生物学。
我们强调了最近的一些进展，这些进展重塑了支架领域，包括模块化招募系统、正交封装肽和蛋白质壳层中的工程化通透性。特别关注细菌微隔室（BMCs），因为它们在已知蛋白质支架中提供了最高程度的空间限制和代谢物通道化（Hagen等人，2018b年；Kerfeld和Sutter，2020年；Kalnins等人，2020年；Beal等人，2023年；Tianpei Li等人，2024a年）。历史上，BMCs作为碳固定和特定分解代谢途径的天然细胞器发挥作用（例如，利用羧化酶的羧化体和使用乙醇胺的1,2-丙二醇微隔室），这些作用激发了专注于途径隔离、通量控制和在合成代谢系统中隔离有毒或挥发性中间体的工程应用（Kerfeld等人，2018年；Doron和Kerfeld，2024年）。文献选择优先考虑了在PubMed、Scopus和Web of Science中索引的同行评审的主要研究和最新综述，选择标准基于与支架结构、酶招募策略和性能指标的相关性。
基于蛋白质的支架上的酶固定化方法
将酶固定到固体载体上是工业生物催化的基石，可以提高稳定性、重复使用性和过程控制（Cao，2005年；Maghraby等人，2023年；Mohidem等人，2023年；Patti等人，2025年；Prabhakar等人，2025年）。早期的方法依赖于无机基质或天然聚合物，如海藻酸盐和壳聚糖（Datta等人，2013年；Rodrigues等人，2013年）。在过去的二十年里，人们越来越关注基于蛋白质的支架。
用于酶组装的模块化相互作用系统
在模块化蛋白质相互作用支架上组织酶已成为一种多功能方法，可以提高级联效率，实现空间控制，并促进途径重编程，特别是在工程化的代谢和无细胞系统中（Conrado等人，2008年；Dueber等人，2009年；Kim等人，2025年）。与静态固定在惰性基质上不同，后者往往导致酶的随机附着和对化学计量或方向的有限控制，模块化相互作用
自组装蛋白质支架：从纳米结构到功能框架
虽然模块化相互作用系统依赖于离散的结合域来组织酶，但工程化的自组装蛋白质支架通过形成具有可预测化学计量的定义明确的纳米级结构扩展了这一原理。例如重复蛋白质系统（Ledesma-Fernandez等人，2023年）这样的支架提供了空间限制、受控装载和结构精确性，从而弥合了简单邻近支架和更复杂隔室化支架之间的差距。
细菌微隔室：从天然细胞器到工程化支架
细菌微隔室（BMCs）代表了最先进的基于蛋白质的酶固定化平台，它们作为类似细胞器的支架，结合了选择性通透性、多酶封装和空间组织（Kerfeld等人，2018年；Sutter等人，2021年）。与简单的支架不同，BMCs不仅固定酶，还将它们包裹在蛋白质壳层中，保护敏感的酶活性，隔离有毒中间体，并实现受控的底物流动。
工程化细菌微隔室的新兴应用
细菌微隔室（BMCs）越来越被认可为生物催化、传感和合成生物学应用的多功能平台。与传统的支架不同，它们的蛋白质壳层既提供了物理屏障，又为代谢物的运输提供了选择性接口，从而增强了对酶级联的控制（Kerfeld和Sutter，2020年）。遗传工程、蛋白质设计和合成生物学的最新进展大大扩展了BMC的功能。
结论与未来展望
酶固定化长期以来一直是工业和生物医学生物技术中的关键策略，提高了稳定性、重复使用性和过程控制。过去十年发生变化的并不是固定化本身的重要性，而是实现这一目标的支架的复杂性。本综述将支架技术置于一个分层的框架中，从天然衍生的生物聚合物发展到工程化的蛋白质组装，最终到细菌微隔室。
关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了[Open AI]来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
KST感谢印度政府科学技术部（奖项编号：DBT/JRF/BET-18/i/2018/AL/245-1064）的资助。CC感谢印度政府的科学与工程研究委员会（SERB）（CRG/2019/001558）和印度医学研究委员会（Diarr/Adhoc/5/2022-ECD-II）的财政支持。作者还感谢印度浦那的国家化学实验室（CSIR）的资助。
