深圳先进院:构建核黄素-微生物杂合体系实现细胞内 NADPH 定向再生

自然界中，植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，支撑地球生态系统的物质循环和能量流动。受此启发，人工光合作用希望借助光敏材料和微生物，把太阳能转化为可储存、可利用的化学品，为绿色制造和碳资源利用提供新路径。

然而，现有半人工光合系统仍面临关键瓶颈。光敏材料虽然能够吸收光并产生电子，但这些电子进入细胞后往往缺少明确方向，可能被还原型辅酶 I（NADH）、还原型辅酶 II（NADPH）或其他氧化还原过程分散消耗，导致能量利用效率和产物合成效率受限。因此，如何让光生电子精准进入目标代谢过程，成为提升半人工光合系统性能的核心问题。

针对此挑战，研究团队提出了一种基于小分子光敏剂核黄素的细胞内还原力定向补给策略。基于这一思路，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所王博研究员团队与清华大学蔡中华教授团队合作，于近日在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）发表了题为《Defining Rational Photoelectron Routing for Targeted Intracellular Energy Transfer》的论文。该研究利用核黄素良好的生物相容性、可见光响应能力和跨膜扩散能力，将光生电子更有选择地导入细胞内 NADPH 再生过程，从而促进 NADPH 依赖型产物合成。该工作从理论计算、体外光谱验证、细胞内还原力检测、转录组分析、反向工程验证以及跨物种应用等多个层面，建立了光生电子定向进入特定细胞还原力的研究框架，为半人工光合系统从经验组合走向机制指导设计提供了新思路。

https://doi.org/10.1002/anie.2408585

传统半人工光合体系多关注光敏材料的捕光和产电子能力，但对光生电子进入细胞后的去向缺乏精准调控。细胞内 NADH 和 NADPH 功能不同 ——NADPH 主要支撑氨基酸、有机酸和糖醇等还原型产物合成，但其胞内含量较低，再生能力常成为高效生物制造的限制因素。因此，如何将外源光能更精准地转化为 NADPH，是提升半人工光合系统效率的重要突破口。

围绕这一问题，研究团队选择天然小分子核黄素作为光敏剂。核黄素具有良好的生物相容性和光响应能力，且能够在细胞内外移动，因而更容易接近胞内氧化还原环境。研究团队提出，光激发后的核黄素可能借助分子结构和能量匹配优势，更倾向于支持氧化性辅酶 II（NADP⁺）向还原型辅酶 II（NADPH）转化。

图 1. 核黄素介导的细胞内 NADPH 定向再生策略示意图

为验证上述设想，研究团队首先通过理论计算发现，相比氧化性辅酶 I（NAD⁺），NADP⁺在能级匹配、电子接受能力和结合能等方面更有利于接受光激发核黄素提供的电子。飞秒瞬态吸收光谱也显示，核黄素与 NADP⁺共存时产生更强、更持久的动力学信号，说明二者更容易形成有利于电子转移的状态。

随后，荧光淬灭、光电流、等温滴定量热和甲基紫精还原等实验进一步证明，核黄素可在可见光下被有效激发，并对 NADP⁺表现出更强的结合和电子转移偏好。

图 2. 核黄素与 NADP⁺之间的分子识别和光诱导电子转移验证

随后，研究团队以酿酒酵母为模型构建核黄素-酵母生物杂化体系。光电流、稳态荧光和时间分辨荧光结果显示，生物杂化体系中核黄素荧光强度明显降低，激发态寿命由 4.89 ns 缩短至 3.13 ns，说明光激发核黄素产生的电子可被细胞内氧化还原体系快速利用。

进一步的细胞裂解液竞争实验显示，在 NAD⁺和 NADP⁺同时存在时，光照下核黄素更显著促进 NADPH 积累，其再生速率为 NADH 的 3.76 倍。无细胞酶环境中未观察到明显 NADPH 再生，说明该过程依赖 NADP⁺相关氧化还原酶的参与。

在酵母细胞中，核黄素和光照共同作用显著提高 NADPH/NADP⁺比值，而 NADH/NAD⁺比值基本不变。以木糖醇为 NADPH 依赖型产物进行验证，光照 24 小时后产量达到约 1.59 g/L，表明核黄素介导的光生电子可进一步转化为实际生物合成能力。

图 3. 核黄素光激发促进酵母细胞内 NADPH 再生和木糖醇合成

为排除光胁迫和内源黄素代谢背景的影响，研究团队检测了活性氧水平、细胞活力，并比较了核黄素、黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的作用。结果显示，光照生物杂化组未出现明显氧化胁迫或细胞损伤，且外源核黄素对木糖醇合成的促进作用最强，说明 NADPH 升高主要来自核黄素介导的光生电子输入。

转录组分析进一步显示，光照生物杂化组中与核黄素转运、电子传递和 NADPH 再生相关的基因明显上调，而关键戊糖磷酸途径（PPP）相关基因变化不明显。使用 PPP 关键途径葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 ‌（G6PDH）抑制剂后，NADPH/NADP⁺比值和木糖醇产量仍保持较高水平，说明该过程不主要依赖传统氧化型 PPP。进一步的反向工程验证表明，线粒体物质转运（YHM2）、氧化还原调控（MXR2）和铁硫簇（YAH1）相关过程，均能进一步影响 NADPH 再生和木糖醇合成，其中 YHM2 的影响最显著，是核黄素介导细胞内电子利用的重要参与因子。

图 4. 转录组和反向工程揭示核黄素介导 NADPH 再生的细胞内机制

为验证该策略的适用范围，研究团队进一步将体系拓展到不同微生物底盘和产物合成过程。在 NADPH 依赖型体系中，核黄素光照处理明显提高了工程大肠杆菌的赖氨酸产量和产乙酸菌（Sporomusa ovata）的乙酸产量。相反，在 NADH 依赖型的工程酵母乙酸转葡萄糖体系和野生型大肠杆菌产氢体系中，并未观察到类似增强效果。该结果说明，核黄素介导的光生电子输入并不是普遍增强所有还原型代谢，而是更偏向支持 NADPH 依赖型生物合成。

图 5. 跨物种验证核黄素光生电子输入更偏向 NADPH 依赖型合成代谢

总体而言，本研究提出并验证了一种利用核黄素定向补给细胞 NADPH 的光生电子调控策略。该工作不仅证明了光生电子能够进入细胞，更进一步回答了电子进入细胞后如何被精准利用的问题，为半人工光合系统从材料驱动走向机制指导设计提供了新思路。未来，该策略有望与光敏分子设计和代谢工程进一步结合，用于更多 NADPH 依赖型高价值化合物的绿色制造。

本研究由中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所王博研究员、肖可蒙副研究员、曾翠平助理研究员与清华大学蔡中华教授共同通讯完成。清华大学/中国科学院深圳先进技术研究院联合培养博士生王浩为本文第一作者，深圳先进院为主要完成单位之一。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划、广东省基础与应用基础研究基金以及深圳合成生物学创新研究院等项目资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.2408585

文章来源：铁死亡Club

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