近期，我校生物工程学院饶志明教授团队张显教授课题组《Chemical Engineering Journal》发表题为“Multiscale engineering of enzyme monomerization and chassis morphology for surface-displayed nucleoside phosphorylase biocatalysts”的研究论文。该研究针对天然寡聚酶在微生物表面展示过程中存在的结构限制问题，提出了一种融合蛋白质结构工程、底盘细胞形态改造以及固定化反应体系优化的多尺度工程策略，成功构建高效稳定的表面展示全细胞生物催化平台，为拓展微生物表面展示技术在工业生物制造中的应用提供了新思路。
论文以嘧啶核苷磷酸化酶（PyNP）为研究模型。PyNP能够催化核苷磷酸解及可逆糖基转移反应，在抗病毒药物、抗肿瘤药物相关核苷类似物合成中具有重要应用价值。然而，天然PyNP通常以同源二聚体形式存在，其复杂的四级结构限制了其在细胞表面的高效展示。传统表面展示体系通常更适用于小分子蛋白或单体酶，而对于天然寡聚酶而言，其较大的结构尺寸、折叠状态以及胞外组装过程中的空间限制，均会降低展示效率。
针对上述问题，研究团队首先利用人工智能辅助蛋白设计方法LigandMPNN与基于多序列比对的arDCA算法，对PyNP结构进行理性重构。通过调控蛋白铰链区域稳定性并重塑二聚化界面，研究人员成功将天然二聚体PyNP改造为具有催化活性的稳定单体形式。该工程化变体Mu5_lp4共包含24个针对铰链区域及二聚化界面的理性设计突变，在保持催化功能的同时实现了寡聚状态转换，为后续细胞表面展示提供了结构基础。随后，研究团队进一步结合枯草芽孢杆菌TasA介导的天然胞外纤维展示体系，实现工程化PyNP的胞外展示。结果显示，单体化改造显著提高了PyNP在细胞外空间中的分布比例，使TasA融合蛋白胞外分布比例由二聚体展示体系的28.4%提升至50.1%，提高约1.8倍。同时，基于流式细胞分析发现，表面可检测到PyNP展示信号的细胞比例由52.0%提高至82.3%，证明单体化策略有效改善了酶分子的胞外可及性。
在此基础上，研究团队进一步从细胞底盘层面对催化性能进行优化。通过调控枯草芽孢杆菌细胞分裂相关基因，实现细胞形态延长，增加细胞表面展示空间，为更多TasA-PyNP融合蛋白提供展示空间。其全细胞催化活性达到3569 U/mL，相比传统二聚体展示体系提高约4.1倍。为了进一步推动该体系向工业应用转化，研究团队构建了基于海藻酸钙包埋的固定化全细胞催化剂，并提出“底物保护-原位交联”的策略，提高固定化过程中的酶活保持能力。最终，该体系被应用于连续流固定床反应器，实现了5-氟尿苷等卤代嘧啶核苷类化合物的高效合成。在30 min停留时间下，反应转化率达到87.6%，空间时间产率达到9.2 g/L/h，并能够持续运行20个柱体积以上。
该研究系统展示了从酶分子结构、细胞表面空间组织到底盘形态调控和反应器工程的多尺度协同设计理念。通过解除天然寡聚结构对表面展示的限制，并结合细胞工厂工程优化，实现了复杂酶催化体系从分子设计到连续化生产过程的有效衔接，为构建新一代高性能全细胞生物催化平台提供了重要理论依据和技术路径。
我校饶志明教授，张显教授为论文通讯作者，生物工程学院24级博士王强为论文第一作者。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32571709），江苏省研究生科研与实践创新计划（项目编号：KYCX25_2705）等项目的支持。近年来，饶志明教授团队在高效细胞工厂构建、合成生物学技术、基因编辑工具等领域取得了丰硕的成果。相关研究发表于Science Advances (2025，2020)、ACS Catalysis (2026，2025，2018)、Nucleic Acids Research (2024，2022)、Nature Communications (2018)、Advanced Materials (2018)等权威国际期刊。
