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Hydrogel-Immobilized Multienzyme Systems for Cell-Free Chemical Bioproduction

生物生产 化学 合成生物学 计算生物学 生化工程 生物 纳米技术 生物化学 工程类 材料科学
作者
Widianti Sugianto,Ryan Cardiff,Claire Benstead,Gökçe Altın,Lilo D. Pozzo,Alshakim Nelson,James M. Carothers
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:14 (8): 3091-3104 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acssynbio.5c00234
摘要

Cell-free gene expression systems derived from bacterial lysates enable the expression of biosynthetic pathways from inexpensive and easily prepared DNA templates. These systems hold great promise for modular and on-demand bioproduction of valuable small molecules in resource-limited settings but are constrained in their long-term stability, reusability, and deployability. In this work, we demonstrate that multiple cell-free expressed enzymes can be co-immobilized in biocompatible hydrogels made from poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) with added glycerol for enhanced gel integrity. Using small-angle X-ray scattering (SAXS), we show that the mesh size of PEGDA-glycerol hydrogels is comparable to the globular sizes of many proteins and enzymes, which could be used for protein entrapment. We found that the combination between entrapment and chemical ligation of the enzymes was effective to retain proteins. By employing a method for direct fluorescence measurement from hydrogels, we found that proteins can be retained in PEGDA-glycerol for at least a week. By separating the cell-free enzyme expression from the immobilization step, we successfully fabricated enzyme-laden hydrogels with three heterologous cell-free enzymes for the bioconversion of pyruvic acid to malic acid, an industrially valuable and versatile precursor chemical. Both heterologous and endogenous enzymes from the lysate remain functional in photo-cross-linked hydrogels and can be reused for multiple biocatalytic cycles. Moreover, we also found that the immobilized enzymes exhibit up to 1.6-fold higher activity and 2-fold longer lifetimes than free enzymes in liquid reactions. These results could advance the deployment of cell-free synthetic biology because they show that reusable, stable, and durable multienzyme systems can be created using readily available materials and fabrication techniques.
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