一直以來，人類利用完整的微生物細胞作為催化體系來制備所需的產品，例如釀酒、釀醋和酸奶制作均已有了數千年的歷史。近年來，人工金屬酶（ArM）技術的發展為全細胞催化劑賦予了更強大的催化能力。然而，人工金屬酶與全細胞催化劑的聯用面臨兩大挑戰，一是人工金屬酶對環境高度敏感，二是人工金屬酶本身在細胞內的組裝（蛋白和非生物輔因子的連接過程）較為困難。

近日，湖南大學化學化工學院白玉罡教授課題組報道了一項突破性研究成果。該課題組成員利用液-液相分離（LLPS）技術，在大腸桿菌中創建出了由蛋白構成的人工隔室，為人工金屬酶提供穩定的“庇護所”，從而成功開發了具備高活性和高穩定性的全細胞催化劑。這一技術被稱為ArM-LLPS技術，它不僅能大幅提升單細胞催化效率，還在罹患結腸癌的小鼠模型中實現了靶向催化-原位產藥過程，為癌癥治療提供了全新的潛在解決方案。

左：通過LLPS技術在大腸桿菌中創建人工隔室總示意圖。人工金屬酶與支架蛋白通過液-液相分離在大腸桿菌內形成人工隔室，創造出“庇護所”以提高其內部的人工金屬酶的催化效率，由此構建出了具有高性能的大腸桿菌全細胞催化劑。在體內環境中，這些全細胞催化劑能夠在特定位置將前藥（Prodrugs）轉化為活性藥物（Drugs）。右：顯微鏡圖像顯示全細胞催化“庇護所”中經人工金屬酶催化生成的熒光產物（藍色）。

在實驗中，團隊成功在LLPS隔室內的HS蛋白上構建出了多種人工金屬酶，相比傳統的周質策略，該技術顯著提升了人工金屬酶在單細胞中的含量。為驗證ArM-LLPS技術的實際應用潛力，團隊成員還構建了小鼠結腸癌模型，接受全細胞催化劑與前藥組合治療的小鼠，其治療效果優于常規藥物治療組，且器官毒性和體重減輕情況大幅改善。這種“基于催化劑的靶向治療”策略為癌癥的靶向治療提供了新的可能性。綜上所述，人工金屬酶與LLPS聯用的ArM-LLPS技術展現了巨大潛力，可以帶來高質、高效的全細胞催化劑系統。

相關研究成果以“Artificial Metalloenzyme Assembly in Cellular Compartments for Enhanced Catalysis”為題發表在國際頂尖期刊《自然·化學生物學》（Nature Chemical Biology）上。白玉罡教授為論文唯一通訊作者，湖南大學為第一通訊單位。化學化工學院博士后吳彤為論文第一作者。該工作得到了國家自然科學基金、湖南省科技廳以及湖南省研究生創新基金等方面的資助。