《New Biotechnology》：Photosynthetic engineered living materials incorporating recombinant Chlamydomonas reinhardtii enable long-term semi-continuous photobiotransformation
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本研究针对光合全细胞生物转化中细胞密度与光效、分离难兼顾的瓶颈，构建了基于海藻酸盐/TCNF水凝胶的Chlamydomonas reinhardtii ELMs。该材料在>16天半连续反应中保持高活性，实现了2.31 g m-2d-1的ε-caprolactone产率，为绿色生物制造提供了新范式。
当微藻穿上“水凝胶外衣”：工程活性材料开启长周期光生物制造
在绿色生物制造的愿景中，利用光合微生物（如微藻、蓝细菌）作为“细胞工厂”，直接利用太阳能将二氧化碳或廉价底物转化为高值化学品，一直被视为可持续发展的理想路径。然而，传统的悬浮培养体系面临两大核心痛点：一是高密度培养时的“自遮荫”效应导致光能利用率骤降；二是细胞与产物的分离困难，难以实现催化剂的循环利用。近年来，工程活性材料（Engineered Living Materials, ELMs） 的兴起为解决这一难题提供了新思路——通过将活细胞封装在透明的三维水凝胶基质中，既能保证光照和物质传输，又能像生物膜一样实现细胞的长期驻留与重复使用。
在此背景下，芬兰图尔库大学的研究团队在 New Biotechnology上发表了一项创新性研究。他们成功将表达环己酮单加氧酶（CHMO） 的重组莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii） 封装在两种生物基水凝胶（海藻酸盐 Alginate 和 TEMPO-氧化纤维素纳米纤维 TCNF）中，构建出高性能的光合 ELMs。研究结果表明，该材料可在长达两周以上的半连续运行中，稳定地将环己酮转化为ε-己内酯**（一种重要的聚合物单体），实现了从“一次性反应”到“可持续工厂”的跨越。
关键技术方法概览
本研究以重组Chlamydomonas reinhardtii（表达Acinetobacter来源的CHMO）为生物催化剂。关键技术路径包括：通过免疫印迹确定细胞生长第3天（高酶量高叶绿素）为最佳固定化窗口；分别构建了基于2% Alginate（Alg-ELM）和0.5% TCNF（含0.1% PVA）的薄层（~450 μm）水凝胶材料；在37 mL小瓶体系中，以5 mM 环己酮为底物，通过每24小时更换反应介质，进行了长达16轮（>16天）的半连续光生物转化（25°C, 26 μmol m-2s-1PAR）；利用GC-FID定量产物，并通过Fv/Fm值监测材料的光合活性。
研究结果解析
3.1.1 确定用于增强 CHMO 表达的细胞最佳生长阶段
在悬浮培养阶段，研究人员首先明确了异源酶表达的时间窗口。利用针对CHMO C端HA标签的抗体进行Western Blot分析发现，在TAP培养基中培养的第1天，CHMO积累水平最高，但随着细胞进入平台期（第4-5天）显著下降。考虑到生物量积累（叶绿素含量）与酶活性的平衡，最终选择培养至第3天（OD750~1.2–1.4）的细胞用于后续ELM制备，此时细胞仍处于高酶活状态且生物量充足。
3.1.2 不同ELM基质与细胞负载量的短期性能评估
研究对比了高密度（A1, 1 g湿重细胞/g-藻酸盐）和低密度（A2, 1 mg Chl mL-1）两种Alg-ELM配方，以及TCNF-ELM。短期（6小时）转化实验显示，高密度A1-Alg-ELM的初始反应速率最快，但其副产物（环己醇）积累也最高，推测可能与高细胞密度下的缺氧微环境有关。相比之下，TCNF-ELM表现出极佳的机械稳定性，但初始转化速率略低于藻酸盐体系。
3.1.3 长期半连续运行与材料稳定性
这是本研究最核心的突破。将Alg-ELM置于24小时/轮的半连续反应中，发现其催化活性可稳定维持超过16轮（16天）。尽管前3轮存在“适应期”，但随后进入高产稳产阶段，平均生产率达到 2.31 ± 0.26 g m-2d-1，累计产量达 0.31 ± 0.03 mol m-2（约3.49 g L-1）。在整个过程中，材料的最大光化学量子产量（Fv/Fm）始终保持在0.6以上，证明封装细胞保持了优异的光合生理状态。Western Blot证实，即使在运行19天后，ELM中的CHMO蛋白依然可被检测到，且条带强度与新鲜细胞相当，颠覆了悬浮培养中酶量随培养时间衰减的传统认知。
3.2 材料基质对细胞生理与催化选择性的影响
深入分析发现，基质类型显著影响细胞的行为。TCNF-ELM中的细胞表现出更高的副产物（环己醇）选择性，这可能源于TCNF网络对底物/氧气扩散的阻碍，导致细胞内还原当量（NADPH）更倾向于流向酮还原途径而非CHMO催化的Baeyer-Villiger氧化途径。相比之下，Alg-ELM提供了更宽松的传质环境，有利于目标产物ε-己内酯的生成。这一发现提示，未来可通过理性设计基质孔径与亲疏水性来精细调控ELM的催化选择性。
结论与展望
本研究成功验证了基于重组莱茵衣藻的光合ELMs在长周期光生物转化中的巨大潜力。Alg-ELM体系在超过两周的半连续运行中展现出的操作稳定性（>16轮）与光合活性保持能力（Fv/Fm > 0.6），标志着光合生物制造从“批次工艺”向“准连续工艺”的重要迈进。
其重要意义在于：
- 1.
解决了“光效与密度”的矛盾：薄层水凝胶结构有效避免了悬浮体系的高密度自遮荫问题，实现了高细胞负载下的高效光能捕获。
- 2.
解决了“分离与 reuse”的难题：ELM作为固态催化剂，可直接从反应液中取出并投入新一轮反应，极大简化了下游分离流程。
- 3.
展现了ELM的生理调控能力：不同基质（Alginate vs TCNF）对产物选择性的影响，揭示了材料微环境可作为调控细胞代谢的新维度，为“材料引导的合成生物学”提供了范例。
尽管在规模化放大（如反应器设计、底物跨膜传质）方面仍需进一步探索，但这项工作无疑为利用太阳能驱动的高附加值化学品可持续生产开辟了一条极具吸引力的新路径。
