本文介绍了一项由Valentina Jurkaš、Florian Weissensteiner、Piera De Santis、Stephan Vrabl、Frieda A. Sorgenfrei、Sarah Bierbaumer、Selin Kara、Robert Kourist、Pramod P. Wangikar、Christoph K. Winkler和Wolfgang Kroutil等研究人员共同完成的原创性研究。该研究于2022年发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，题为“Transmembrane Shuttling of Photosynthetically Produced Electrons to Propel Extracellular Biocatalytic Redox Reactions in a Modular Fashion”。研究的主要目标是开发一种基于光合作用的跨膜电子穿梭系统，用于驱动细胞外的NAD(P)H依赖的氧化还原反应。

学术背景

生物催化氧化还原反应在有机合成中具有重要意义，尤其是立体选择性还原和氧化反应。这些反应通常依赖于辅因子NAD(P)H的再生。传统的NAD(P)H再生方法存在原子经济性低、反应效率不高等问题。蓝藻（cyanobacteria）通过光合作用从水和光中产生NADPH，具有高原子经济性，但其应用受到异源酶表达困难、底物或产物跨膜运输限制等问题的制约。本研究旨在通过跨膜电子穿梭系统（Modular Photo-Electron Shuttling, MPS）克服这些限制，实现细胞外NAD(P)H依赖的氧化还原反应。

研究流程

研究分为三个模块：模块A负责在蓝藻细胞内通过光合作用生成还原态的小分子穿梭物质（如酮类化合物还原为醇类化合物）；模块B负责将穿梭物质在细胞外重新氧化，生成NAD(P)H；模块C则利用生成的NAD(P)H驱动目标氧化还原反应。研究首先选择了野生型蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803作为模块A，并测试了多种穿梭分子对。随后，研究人员优化了系统，选择了重组表达的Synechococcus elongatus PCC 7942作为模块A，并使用了丙酮/异丙醇作为穿梭分子对。模块B使用了来自Rhodococcus ruber的NADH依赖的醇脱氢酶（ADH-A）或来自Lactobacillus kefir的NADPH依赖的醇脱氢酶（LKADH）。模块C则选择了来自番茄的烯还原酶（OPR3）作为目标酶，测试了其对4-酮异佛尔酮（4-ketoisophorone）的还原反应。

主要结果

研究结果表明，MPS系统能够成功驱动细胞外的氧化还原反应。在使用重组Synechococcus elongatus和LKADH的情况下，4-酮异佛尔酮的转化率达到了99%，产物光学纯度超过99%。此外，研究人员还测试了14种不同的烯还原酶，发现其中12种酶在MPS系统中表现出接近定量的产物生成。研究还扩展了MPS系统的应用范围，测试了其他类型的氧化还原酶，如酮酸脱氢酶和亚胺还原酶，并成功实现了多种底物的高效转化。

结论

MPS系统通过模块化设计，成功克服了传统蓝藻系统中异源酶表达困难、底物跨膜运输限制等问题。该系统不仅能够高效再生NAD(P)H，还能够灵活应用于多种氧化还原反应。研究展示了MPS系统在生物催化领域的广泛应用潜力，尤其是在药物合成和精细化学品生产中的应用前景。

研究亮点

1. 创新性：MPS系统首次实现了通过光合作用驱动的跨膜电子穿梭，用于细胞外氧化还原反应。
2. 模块化设计：系统具有高度模块化，能够灵活应用于不同类型的氧化还原酶和底物。
3. 高效性：在多种底物和酶的组合下，MPS系统表现出高转化率和高光学纯度。
4. 应用广泛性：研究展示了MPS系统在多种氧化还原反应中的广泛应用潜力，包括烯还原、酮酸还原和亚胺还原等。

其他有价值的内容

研究还探讨了MPS系统在放大实验中的表现，成功将反应规模扩大到50 mL，并实现了高底物浓度下的高效转化。此外，研究人员还提出了进一步优化系统的策略，如降低NAD(P)+浓度、优化蓝藻的生长条件等。

本研究通过创新的跨膜电子穿梭系统，为生物催化氧化还原反应提供了一种高效、灵活且环保的新方法，具有重要的科学和应用价值。