西湖大学王雅婕：突破近30年技术瓶颈，构建高效化学-酶偶联催化体系，布局5大研究方向
收藏
关键词：
突破
资讯来源：DeepTech深科技 + 订阅账号
发布时间：
2023-04-06
近年来，全球迫切发展低碳经济和可持续制造业，生物技术也不断进步，传统化工向生物化工转型已成为必然趋势。大型化工企业如巴斯夫、陶氏化学、埃克森美孚、壳牌公司等，以及畜牧业头部企业牧原集团，均已加入转型阵列。
虽然转型不可避免，生物催化取代化学催化却不可能一蹴而就。
化学催化发展至今已有上百年，相比之下，生物催化还远不够成熟。一方面，生物催化剂的特异性较高，导致其底物范围通常较狭窄，催化的反应类型也更少；另一方面，生物催化剂一般是酶，酶对环境的要求较高且存在降解、不稳定的情况。
构建高效化学-酶偶联催化体系是扩充生物催化剂储备的有效方法之一，既能拓宽酶的反应底物及反应类型，也可弥补酶催化的还原力和能量不足的问题。
凭借首次将光催化和酶催化反应创新性结合，突破了近 30 年化学-酶偶联协同催化体系多限于动态动力学拆分和辅酶因子再生两大类酶促反应的技术瓶颈，实现对顺反烯烃异构体混合物的立体会聚式还原，高效合成药物（如巴氯芬、菲尼布特）及多种生物活性分子，西湖大学
王雅婕研究员成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者王雅婕
“我认为将化学催化和酶催化结合起来能够取长补短，使系统兼具前者的反应性以及后者的选择性，从而突破两种方法各自生产时受到的限制。”
王雅婕说道。
突破近 30 年技术瓶颈，构建高效化学-酶偶联催化体系
在构建高效化学-酶偶联催化体系时，最大的瓶颈在于由“化学催化与酶催化的兼容性差”导致的催化效率低及反应类型单一。
在美国伊利诺伊大学香槟分校读博士期间，
王雅婕致力于探索除定向进化以外能扩充酶底物种类及反应类型的新方法，并成功原创了光催化剂催化的光敏能量转移反应和多个酶的偶联催化体系，突破了近 30 年化学-酶偶联协同催化体系受限的瓶颈。
博士后期间，她继续探索光催化与酶催化的适配机制，发现光引发的电子转移反应、光敏能量转移反应和酶催化反应能够协同进行，进一步验证了光-酶可协同催化的普适性。
此外，考虑到化学辅助的生物合成还可以与微生物细胞工厂进行协同作用，
王雅婕在博士、博后期间同时进行了基于链霉菌和酿酒酵母的代谢工程研究，建立了一系列基因编辑及生物传感技术。
据
王雅婕介绍，其曾为世界最大化工企业之一巴斯夫（BASF）设计并搭建高通量菌种改造工艺，“用该工艺流程，我在 10 天内实现菌株的改造与鉴定，速度是基于传统适应性进化方法的 4-5 倍，获得了巴斯夫 White Biotechnology Research 首席科学家 Dr. Dominik Satory 的高度评价。”
2021 年秋天，
王雅婕回国加入西湖大学，并建立了“合成生物学与生物催化实验室”，基于之前在化学催化、蛋白质工程、合成生物学领域的长期积累，结合人工智能，智能构建化学-生物偶联的“人工光合作用”系统，扩展酶催化的非生物转化类型，实现从空气（CO₂ 与 N₂）到高附加值化合物的转化。
图丨结合蛋白质工程、微生物代谢工程和光电催化，构建多重 CBS 催化系统从 CO₂ 和 N₂ 生成高附加值化合物（来源：受访者提供）
“我们课题组的理念是打造‘设计-构建-测试-学习’的闭环，去工程改造生物制造的系统，使其更快地适应工业化需求，或者合成目标化合物。”
据
王雅婕介绍，目前课题组已布局以下五个研究方向：
第一，利用深度学习模型实现高效酶的元件挖掘和改造。虽然 AlphaFold、AlphaFold2 等技术可以进行高度准确的蛋白质结构预测，但直接由序列预测蛋白质的功能仍然很难。“我们利用深度学习的方法去找到合适的模型，尽可能更准确地关联使蛋白质序列直接关联蛋白质与其功能。”
回国至今，利用深度学习
模型，
王雅婕课题组尝试基于种子序列，挖掘催化性能更优的新酶，“新酶的性能，比如耐高温、耐酸碱、催化活性，比现有报道的同种类型的酶都要好。”
第二，建立胞外酶级联反应，实现更复杂化合物的合成。“经过一年多的尝试，我们已基本上构建了一个一体化的系统，可以从二氧化碳直接合成甲醇，也可以直接合成一些氨基酸。目前该系统效率还比较低，正在改进中。”
第三，开发人工辅酶，辅助建立胞外酶级联反应。“在某种程度上，人工辅酶可以降低天然辅酶的成本；一些有特殊化学性能的人工辅酶还可以催化更多的反应类型。这也是我们实验室比较有特色、有优势的一个研究方向。目前已设计的几款人工辅酶在进一步测试中。”
第四，工程改造微生物细胞工厂，增强其一碳利用率，从而实现从一碳到高附加值化合物的生物转化。
第五，构建化学-酶级联催化反应，拓展酶的反应类型。“这也是我博士和博士后期间所做研究的一个延伸。”
“作为一名年轻 PI，我个人偏向于‘先立足，再发展’，依照计划，我们将在 5-6 年后开发实验室特有的技术路线和产品，再进一步开拓市场。”
王雅婕深知科研工作者肩上的重任,“每一次工业革命，都伴随着科技的飞跃，所以科技创新一定是人类进步的关键，也是决定国家与国家之间势力悬殊的最重要原因。”
“本着对科学的崇敬，我们更应该追求质朴，脚踏实地，也要不畏艰难，不畏牺牲，齐心协力做科技创新，为人类更好的生活而奋斗。”
#In Science We Trust#
官网：https://www.luoyikexue.com
个人中心
我是园区
退出
