可持续化学制造的追求越来越集中在结合酶的选择性和光氧化还原催化的能量多样性的混合催化系统上[1]。光酶耦合催化（PECC）利用光作为无痕能量源来选择性地驱动氧化还原反应，并能够获取光化学生成的氧化剂或还原剂[2]。实际上，PECC已被用于依赖辅因子的氧化和还原、碳-碳键的形成，甚至二氧化碳的还原[[3], [4], [5], [6], [7], [8]]。尽管取得了这些进展，但在常温好氧条件下运行此类系统仍然是一个主要挑战，限制了其实际应用。
三种固有的不兼容性通常限制了好氧PECC。首先，光照过程中产生的活性氧物种，特别是超氧阴离子和羟基自由基，会损害蛋白质结构并降低酶活性[9]。其次，作为酶和光催化剂之间两电子氧化还原穿梭载体的烟酰胺辅因子（NAD+/NADH）在氧化条件下容易受到自由基的诱导而分解[[10], [11], [12], [13]]。第三，保护酶的策略通常依赖于将其固定在固体支持物上或掺入聚合物基质中。这些材料可能会散射或吸收光，减少光子到达光催化剂的量，并阻碍底物和辅因子的扩散，从而减慢整体反应速率。
以前的方法通常分别解决这些挑战。全细胞系统避免了使用外源性支持物，为酶提供了天然的隔间，但它们并不能完全防止光化学产生的小自由基或金属离子的进入[14]。具体来说，小活性氧物种和金属离子可以穿透细胞膜并使细胞内酶失活。辅因子回收方法，无论是依赖于辅助酶、电化学技术还是直接的光化学氧化和还原，都会引入额外的系统复杂性，并可能导致意外的副反应或辅因子降解[11]。每种方法都提供了部分解决方案，但没有一种方法能够在强大的好氧PECC系统中同时解决所有三个限制。
一种有前景的策略是将酶的固有固定与细胞外辅因子的稳定结合起来，同时保持光学透明性并促进高效的质量传递[14]。利用细胞自身的膜作为无材料的固定平台，可以使酶与周围环境隔离，同时仍能接触到底物和辅因子。同时，在细胞外空间引入温和的化学介导剂可以有选择地将辅因子的光化学氧化导向生产性途径，同时拦截破坏性的自由基反应。这种正交设计利用了细胞膜的天然保护特性，为辅因子的保存提供了受控的化学环境，无需厌氧条件或笨重的支持物。
在这项研究中，酶与短的阳离子θ-防御素标签融合，这促进了它们与微生物膜的静电结合[[15], [16], [17], [18]]。这种设计将可溶性酶转化为膜锚定的生物催化剂，保持了高活性，而没有引入阻挡光的材料。同时，研究了好氧光催化条件下NADH的降解机制，发现超氧阴离子是导致分解的主要物种。然后引入低浓度的Ni(II)催化剂来捕获易受攻击的NAD自由基，并将其转化为NAD+，形成了一个稳定的、可再生的氧化还原循环[19]。
膜锚定和Ni(II)介导的辅因子稳定化的结合被证明是相互兼容且非常有效的（图1）。几种酶成功锚定在膜上并保持了活性。Ni(II)催化剂在好氧条件下保持了NAD+/NADH循环，而没有损害酶。将这一集成系统应用于R-甘油醛的好氧氧化，保持了辅因子的完整性，并在24小时的反应时间内生成了82%的甘油酸。这种方法在一个框架内解决了酶保护、辅因子稳定性和光可及性问题，为可持续的、太阳能驱动的生物催化提供了一种通用且实用的策略。
