综述：用于生物催化的生物分子凝聚体：从物理化学性质到多尺度调控机制

《Current Opinion in Biotechnology》：Biomolecular condensates for biocatalysis: from physicochemical properties to multiscale regulations

　　

华阳堂|春飞胡|慧蕾宇|晓霞夏|志刚钱

中国微生物代谢国家重点实验室、代谢与发育科学联合国际研究实验室、上海交通大学生命科学与生物技术学院，上海市200240，中华人民共和国

通过相分离形成的生物分子凝聚体已成为许多细胞过程时空组织的关键因素。近年来，在识别和功能分析天然生物分子凝聚体以及设计和构建可作为生化途径微反应器的合成模拟物方面取得了显著进展。本文综述了这一新兴领域的最新进展，并强调了如何表征、调节和利用合成凝聚体的微环境以改进生物催化。特别是，我们描述了控制多个长度尺度上酶反应的机制层次。这些努力有望为凝聚体驱动的生物催化建立概念框架，并指导生物催化系统中设计型凝聚体的构建。

引言

生物功能的精确执行需要复杂的区室化策略。传统的区室化依赖于膜结合的细胞器，如线粒体和溶酶体，来物理隔离催化过程，从而提高效率并防止相互作用1, 2。最近，生物分子凝聚体（无膜细胞器，MLOs）作为另一类没有脂质边界的区室出现 [3]。它们通过蛋白质和/或核酸的液-液相分离形成，可作为维护细胞秩序、动态信号传导和对细胞压力适应性反应的关键枢纽 [4]。

研究人员使用多种相分离结构域构建了合成凝聚体，包括具有内在无序区域（IDRs）的蛋白质（例如，以保守的Asp-Glu-Ala-Asp基序命名的DEAD-box螺旋酶的N末端区域，以及精氨酸-甘氨酸-甘氨酸（RGG）结构域）、多肽重复序列（例如类似弹性蛋白和抗弹蛋白的多肽）和定制设计的RNA分子 5, 6, 7••, 8, 9。通常，通过添加大分子拥挤剂（如葡聚糖-70）以及将目标蛋白与某些相分离结构域融合或招募这些结构域来构建合成凝聚体。凝聚体的均匀性通过动态光散射（DLS）、纳米粒子追踪分析和多分散指数来评估 [10]。为了实现更好的时空控制和单一分散性，微流控技术已成为精确相变分析的高通量平台。从功能上讲，这些凝聚体可以定义局部状态并增强分子通信，作为过滤器（选择性访问）、放大器（放大微妙的环境变化）和电阻器（缓冲能力）来促进生物过程 11, 12, 13。这些进展推动了合成凝聚体的应用，涵盖了凝聚体行为的基础研究、用于目标生物合成的代谢工程和治疗干预 [14]。

由于组分之间的多价相互作用，生物分子凝聚体具有独特的微环境，能够同时浓缩酶和底物，同时从周围细胞间隙中选择性隔离特定因子。这些微米级的区室从根本上重塑了我们对细胞结构和调控的理解。通过空间组织酶和选择性分配底物，凝聚体深刻影响了酶反应的特异性和效率，使其成为细胞生物催化的理想微反应器 [15]。确实，利用酶凝聚体的催化系统比传统的均相系统具有显著优势（图1）。这些优势包括为酶性能创造理想和最优的微环境（表1）、通过隔离干扰分子来抑制副反应、通过富集酶和底物来提高反应动力学和效率，以及通过底物导向减少反应中间体的释放 [16]。这些效应可以通过Michaelis–Menten动力学定量捕捉。值得注意的是，在两相系统中，拟合的 k_cat 和 K_M 值仅代表反映稀释相和密集相平均贡献的表观参数 [8]。此外，相分离系统允许通过离心轻松回收富酶的密集相，从而实现生物催化剂的回收并显著降低生产成本。这一潜力通过明胶稳定的聚乙二醇（PEG，M_w = 500?kDa）/葡聚糖系统得到证明，在该系统中，温度触发的凝胶化使得三次循环后酶的活性保留率超过70% [17]。

尽管已经回顾了生物分子凝聚体的形成机制和功能 18, 19, 20，但在理解其物理化学性质与利用它们促进酶催化的能力之间仍存在关键差距。关于如何实现催化调控的系统理解仍然零散。本综述旨在通过将最新进展整合到一个多尺度框架中来弥合这一差距，以便将基本的机制见解转化为未来的生物催化应用。我们首先讨论酶凝聚体的关键微环境特性，然后探讨不同长度尺度上的催化调控机制层次，最后总结凝聚体驱动的生物催化未来的挑战和机遇。

章节片段

生物分子凝聚体的物理化学性质和表征

生物分子的凝聚形成了具有独特物理化学性质的独特微环境，例如粘度、分子分配、微极性、表面张力和电化学性质等。这些性质影响凝聚体的内部和界面特性，从而深刻影响在其内部或边界发生的生化反应 [29]。

分子尺度调控

在分子层面，凝聚体可以通过直接调节酶的构象景观来调控催化作用。凝聚体内的拥挤微环境影响构象平衡，选择性地稳定或破坏某些酶的状态以调节活性（图3a）。最近的高光谱激发拉曼散射成像提供了直接证据，表明相分离会导致蛋白质二级结构从无序转变为有序

挑战与未来展望

生物分子凝聚体凭借其独特的结构和功能性质，为生物催化提供了一个有前景的平台。然而，它们本质上是动态的，可能会经历“凝聚体老化”，在此过程中它们的物理状态和活性会发生变化。在某些催化系统中，这种现象可能表现为酶活性的初始增强 [69]，但随着凝聚体从液态转变为固态类似状态，活性逐渐下降 [27]。控制这种趋势是

CRediT作者贡献声明

华阳堂：概念化、研究、写作——初稿。春飞胡：研究、写作——审阅和编辑。慧蕾宇：资金获取、写作——审阅和编辑。晓霞夏：资金获取、写作——审阅和编辑、监督。志刚钱：概念化、资金获取、写作——审阅和编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（资助编号：2021YFA0909502，授予X.-X.X.）、国家自然科学基金（资助编号：32270107，授予Z.-G.Q.；32300077，授予C.-F. Hu）以及上海市科技创新行动计划（资助编号：24HC2810500，授予X.-X.X.；24ZR1491400，授予Z.-G.Q.）的支持。此外还得到了教育部基础与交叉学科突破计划的资助