作者：Ting Wu, Jie Zhou*, Akihiko Kosugi, Weiliang Dong

01 论文信息

论文信息

Ting Wu, Jie Zhou, Akihiko Kosugi and Weiliang Dong. iMARS: Advancing artificial multienzyme architecture design through rational approaches[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.07.001

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iMARS: Advancing artificial multienzyme architecture design through rational approaches

中文解读原链接

Green Carbon评述 | Cell：人工多酶复合体理性设计的新工具——iMARS

02 背景简介

生物催化是细胞代谢和工业生物技术的核心，多酶级联广泛应用于制药、食品和化学品制造。在自然系统中，这些级联的效率是通过酶复合物的精确空间组织来实现的，这有利于直接底物通道化，加快反应速率，最大限度地减少扩散损失，抑制竞争性副反应，并减轻产物抑制。受此原理的启发，人们开发了人工多酶组装体（通过酶融合、蛋白质和核酸支架以及纳米材料构建），以提高级联效率。然而，由于缺乏清晰的结构-功能框架，进展受到限制，导致设计很大程度上依赖于经验性的反复试验方法。

南京工业大学姜岷/董维亮教授团队对上海交通大学倪俊副教授课题组发表于Cell上的文章"Rational multienzyme architecture design with iMARS"进行了系统性分析和评论,于Green Carbon发表题为"iMARS: Advancing artificial multienzyme architecture designthroughrational approaches”评述文章。博士研究生吴婷为第一作者，周杰教授为通讯作者，日本国际农林水产业研究中心(IRCAS)AkihikoKosugi教授参与该文章的讨论与修改工作。

03 评述内容

空间效率代码和iMARS框架

通过高通量测试及空间结构预测解析了人工多酶复合体的空间构效关系，初步破译了多酶空间邻近性和效率的“密码”，发现融合酶的空间距离和通道角度是影响催化效率的关键因素。基于此原理，研究团队开发了人工多酶复合体理性设计工具iMARS。iMARS的核心是通过底物转移通道之间的距离（DIC）和催化结构域（OIC）的相对方向将酶的排列与催化功能联系起来，通过将DIC和OIC整合成一个综合指标（DO分数），可以定量预测和优化多酶组装体。iMARS结合了1025个连接子数据库、ParaFold结构预测和CAVER对接，实现从氨基酸序列到人工多酶复合体相对活性的快速预测，从而将设计时间从五天缩短至一分钟以内，实验成本从500元以上降至0.015元以下，这不仅解决了该领域半个世纪以来缺乏理性设计框架的难题还为合成生物学和工业应用提供了一个快速、可扩展且经济高效的平台。

iMARS多酶结构设计及其工业应用

iMARS为多酶设计提供了一个标准化的计算框架。作者将其应用于超过2050个涵盖不同生物合成途径和酶对的构建体，并结合了计算评估和实验验证。研究团队通过严格的体内和体外测试证实，iMARS能够持续指导融合酶的合理设计，并具有卓越的性能，展现了其在生物制造和生物催化领域的广泛适用性。在白藜芦醇生物合成中，iMARS设计的融合酶在大肠杆菌中实现了45倍的产量提升，并在酿酒酵母和细长聚球藻中实现了显著的产量提升。对于PET生物降解，优化后的融合酶与单一酶相比，活性提高了3.1倍，并改善了商用塑料的解聚效果。在支架介导的系统中，iMARS使果糖-6-磷酸的产量提高了三倍以上，香兰素的合成提高了133%。最后，在麦角硫因合成的分批补料发酵中，优化后的融合酶实现了迄今为止报告的最高产量：4.91 g/L，补料分批发酵的生产率为68.2 mg/L/h。

总结与展望

iMARS代表了人工多酶复合体设计的重大范式转变，标志着多酶组装从依赖实验试错法迈向理性设计的新纪元，将推动合成生物学和生物制造的快速发展，对医药、食品和工业等领域具有重要意义。尽管取得了这些突破，iMARS目前仍仅限于双酶体系的理性设计，严重依赖结构模型，而这些模型对于柔性或多结构域蛋白质的预测准确性较低，同时也忽略了表达水平、蛋白质动力学和微环境影响等因素。未来，iMARS应进一步扩展到多酶体系（三种酶以上）的组装，并整合更多生物学参数，从而为更精准高效、更具工业变革的人工多酶复合体的理性设计铺平道路。

04 作者简介

周杰 教授

周杰，南京工业大学，教授，博士生导师，Green Carbon青年编委。入选江苏省优秀青年基金（2025年）、中国博士后创新人才支持计划（2018年）、南京市中青年拔尖人才（2024年）、南京工业大学青年才俊拓原工程青年创新学者（2024年）。主要研究方向工业酶资源与蛋白质工程。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上等5项国家级项目，主持企业合作横向项目2项。近5年以第一作者或通讯作者在Angew Chem Int Edit、AIChE Journal、Trends Chem、Green Chem、Food Chem、iScience、生物工程学报等发表论文24篇；以第一发明人获授权发明专利9件；担任高起点期刊Green Carbon和《生物工程学报》首届青年编委，获第八届全国化学工程与生物化工年会优秀青年报告奖、2025年度中国商业联合会科技进步特等奖（2/10）。

05 Green Carbon

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