包封体纳米级人工生物功能器件的设计

When use biological systems for green manufacturing, it is necessary to solve the scientific problems such as the stability of the system, the synthetic efficiency and system optimization. One smart strategy widely used during evolution is the creation of cell substructure- organelles which can be used for regional control. Based on the principle of bionics, this project will focus on the newly discovered microorganism “organelles”- Encapsulin. This study aims at constructing artificial functional devices by using the self-assembly characteristics of encapsulin protein skeleton and its special spherical structure. We will study: 1), the physiological and biochemical characteristics of newly identified encapsulin; 2) By using the lactamase, alcohol dehydrogenase and other industrial biocatalyst as models, develop new strategies for nano enzyme catalysts preparation technology. The enzyme molecules embedded in the encapsulin will provide both a protection effect and an aggregation effect which might improve the catalytic efficiency and stability of industrial biocatalysts; 3) By using indigo and lasso peptide biosynthetic pathway as models, develop new approach for self-assembly of metabolic pathway. The metabolic pathways can be regionally control in the encapsulin which might improve the synthetic efficiency of the metabolic pathways. This research is committed to the development of nano scale bioreactor based on encapsulin. This study will present a general operating platform and explore its application in the field of biocatalysis and microbial natural products biosynthesis.

利用生物系统进行绿色生物制造需要解决合成体系的稳定性、合成效率与系统优化等科学问题。采用区域化控制, 创造细胞亚结构-“细胞器”是生物在进化过程中普遍采用的精明策略。基于仿生学原理，本项目将对最新发现的一类微生物“类器官”-包封体进行研究。利用包封体蛋白骨架自组装的有序特性及特殊的球形包封结构，研究构建人造功能器件。我们将研究：1)新型包封体的生理、生化特性；2)以内酰胺酶，醇脱氢酶等工业催化剂为模型，利用包封体研究新型纳米酶催化剂制备技术，将酶分子包埋于包封体内并形成保护与聚集效应，提高工业催化剂的催化效率及稳定性；3)以靛蓝，套索多肽等代谢途径为模型，探索利用包封体发展代谢途径自组装的新途径。通过将代谢途径区域化控制于包封体内，从而提高整个代谢途径的合成效率。本研究致力于开发基于包封体的纳米级生物反应器。提供一种通用的操作平台，并探索其生物催化,天然药物生物合成等领域的应用。

利用生物系统进行绿色生物制造需要解决合成体系的稳定性、合成效率与系统优化等科学问题。采用区域化控制, 创造细胞亚结构-“细胞器”是生物在进化过程中普遍采用的精明策略。基于仿生学原理，项目对最新发现的一类微生物“类器官”-包封体进行研究。利用包封体蛋白骨架自组装的有序特性及特殊的球形包封结构，研究构建人造功能器件。项目获得资助后，课题围绕着以下几个方面开展了大量的研究：1）新型蛋白质包封体的研究及其在生化催化领域的应用。2）新型生物催化剂的发现与表征。3）新型微生物药物代谢途径的挖掘。.在项目的资助下主要取得了以下重要进展：1. 通过蛋白质工程改造蛋白质十二面体包封体系统，构建了60拷贝的工业生物催化剂纳米反应器，为改进相关工业生物催化剂的稳定性问题提供了一套解决平台。2.开发构建蛋白质烷烃结构策略，构建套索型生物催化剂，为工业生物催化剂的强化提供了一种解决方法。3. 通过结合基因组挖掘、半理性工程改造及纳米反应器构建为工业生物催化剂的开发绘制了一个路线图。4.在新型生物催化剂探索发现方面。课题组在世界上首次发现了介导环二肽吡咯烷酮环化的新型Radical SAM蛋白，为相关生物碱的生物合成提供了一种高效绿色方法。5.在新型微生物天然药物生物合成领域，项目成功破解了高效抗肺结核lassomycin类套索多肽的生物合成途径，为相关药物的异源生物合成开发打下了基础。.总体来说，在项目的资助下，课题在工业催化剂纳米反应器构建，新型生物催化剂发掘，新型天然药物合成途径挖掘等领域取得了一系列进展。研究成果对工业生物催化剂的增强、开发提供了大量值得借鉴的经验。