大自然是空间组织的大师。细胞进化出大量自组装结构，一方面极大的节省了基因资源，同时利用这一系列精妙结构，可以实现细胞空间结构的进一步区划，例如磷脂双分子层、蛋白质衣壳、蛋白凝聚体等结构。特定的自组装结构内实现特定的生物功能，万千反应在方寸之间，却井然有序。

然而，人工构建的细胞工厂由于未经过进化的打磨，往往缺乏空间组织，由此导致了异源表达的代谢通路与宿主细胞争夺有限的细胞资源、有毒代谢产物影响细胞生长等诸多问题，最终导致细胞工厂生物合成效率低下。前期有报道，通过一对多肽可实现代谢通路中关键酶分子的空间再定位（Nature communication 2019 10:4248），进而实现目标分子的高效合成，然而这一策略受限于非常有限的酶分子装载量。

近日，大连理工大学薛闯教授团队与肯尼索州立大学李博教授合作，利用自组装蛋白质球结构，结合共价生物偶连技术，建立了一种酶分子的自组装策略，利用该策略不仅可以在胞外实现多个酶分子的高效组装，而且可以在复杂的细胞环境下实现酶分子的原位组装。通过酶分子的可控、有序组装，大幅提升了细胞工厂的生产效率。

自组装蛋白质笼具有生物相容性好、耐化学（生物）修饰的特点，同时由于自组装特性，能够提供充足的酶分子装载位点。研究表明，经过特殊修饰的蛋白质笼可以快速、高效的对催化多步反应的多个酶分子进行组装，通过拉近酶分子间的距离，促进中间代谢产物传输。于此同时，相比游离酶，研究者发现组装于蛋白质笼表面的酶分子现出了更强的底物亲和力，因而催化性能有大幅提升。

研究者开发的蛋白质笼在复杂的细胞环境内，仍然可以自发组装成完整球形，并且可以实现酶分子的原位组装。以番茄红素合成关键酶的组装为例，酶组装提高了人工途径的整体代谢流，争夺了更多的有限细胞资源，用于目标产物合成，番茄红素的产量达8倍之多。

上述研究成果对于合成生物学、代谢工程有着重要意义。在保持酶水平恒定的前提下，利用自组装蛋白质笼，通过空间组织克服代谢流的不平衡、为细胞工厂异源合成高附加值产物导入更多细胞资源，无疑为构建高效细胞工厂提供了一种崭新、有力的工具。