用户成就丨贵州大学张利博团队借助受激拉曼成像，破解酶催化增效密码

研究背景

在生物制造向绿色转型的进程中，酶级联反应因其高效与原子经济性，已成为合成糖核苷酸、精细化工品等高价值分子的理想策略。然而，其实施仍面临多重挑战：游离酶稳定性差、中间产物扩散导致动力学受限，尤其是昂贵底物（如ATP/UTP）利用率低下，严重制约了规模化生产。其中，UDP-GlcNAc 作为聚糖、糖蛋白合成的核心前体，其高效合成一直是生物制造领域的研究重点。但长期以来，酶级联反应的增效机制始终停留在理论推测阶段 —— 科研人员推测，纳米反应器表面的酶空间有序排布会形成 “类底物通道效应（channeling-like effect）”，让中间产物 GlcNAc-1-P 在表面快速传递转化、不扩散至溶液，从而提升催化效率。

但这一核心假说，却因观测技术的瓶颈难以验证：传统观测手段要么需要对酶或中间产物进行荧光标记，会干扰催化体系的原始活性；要么无法兼顾纳米尺度的空间分辨率和化学反应的动态时效性；更无法在无创条件下，精准捕捉 GlcNAc-1-P 这类低丰度、瞬态存在的中间产物的空间分布和动态变化。纳米尺度下的酶催化中间过程，成为了困扰科研人员的 “黑箱”。

总之，核心挑战在于：

空间瓶颈：看不清纳米级界面
传统光学显微镜受衍射极限限制，无法清晰分辨百纳米级反应界面，难以在单颗粒层面定位中间产物的真实传递路径。

时间瓶颈：抓不住毫秒级动态
中间产物不稳定，在材料界面动态变化快，传统检测方法仅能提供静态“快照”，无法实现原位连续监测，导致动态传递轨迹成为盲区。

化学瓶颈：测不准真实反应
标记技术会干扰反应真实性，无标记方法又难以兼顾高灵敏度与高时间分辨率，“特异性”与“无扰性”难以两全。

研究成果

振电科技UltraView多模态非线性光学显微成像系统，正是为解决这一核心观测难题而生。在发表于《Green Chemistry》的一项突破性研究中，贵州大学张利博团队借助其高光谱受激拉曼散射（SRS）成像模块，首次实现了对Ni-ZIF-8双酶纳米反应器表面中间产物GlcNAc-1-P的三维、动态、无标记可视化，直接观测到中间体的空间限域与快速转化。

这一关键发现，不仅从机理上解释了该反应器实现4.4倍催化效率提升与30分钟92%转化率的提升，更彰显了UltraView系统在解析生物催化“黑箱”、推动合成生物学从经验构建迈向“可视化设计”的核心价值。

破解科研痛点：SRS显微技术提供直接证据

研究团队借助振电科技UltraView系统核心受激拉曼散射（SRS）显微技术，成功获取了关键证据（图1）。这组图像直接展现了UltraView系统在破解此类科学难题上的卓越能力。

图1通过振电科技UltraView系统的SRS成像，首次在无标记条件下直接捕捉到中间产物GlcNAc-1-P在纳米反应器表面被快速限域与转化的动态过程，为“类底物通道”增效机制提供了无可辩驳的原位视觉证据。
图c、d：通过SRS系统显示下，直接对中间产物 GlcNAc-1-P进行成像，无需任何荧光标记或染色。
图e、f：通过SRS系统观测下，中间产物没有扩散到溶液中，而是在纳米反应器表面被“类底物通道效应”地快速传递和转化

UltraView系列多模态非线性光学显微系统技术优势

无标记原位观测，呈现真实反应过程
本研究依托SRS技术，基于GlcNAc-1-P的特征拉曼位移（2750-3075 cm⁻¹）实现原位检测，无需荧光标记或化学染色，完整保留酶活性与反应平衡。实验首次清晰呈现中间产物在~100nm纳米反应器表面的真实分布状态，彻底避免标记干扰，确保观测数据具备超高保真度。

高分辨精准定位，实现单颗粒级检测
系统具备亚微米级空间分辨率与高灵敏度，不仅能清晰定位粒径约100nm的单个Ni-ZIF-8纳米反应器表面，更能精准检测GlcNAc-1-P这类瞬态低丰度中间产物。化学特异性信号确保目标分子的精准捕捉，实现从“群体平均”到“单颗粒分辨”的检测突破。

毫秒级动态追踪，捕捉关键反应证据
借助微秒级成像速度，系统实现了对酶级联反应的实时动态监测。研究精准追踪了5-30min内GlcNAc-1-P的信号变化，通过单酶反应时信号累积与双酶反应时信号持续低位的鲜明对比，直接验证了“类底物通道效应”的存在与作用机制。

多模态信息整合，从图像到机制的转化
系统可同步获取化学组分信息与空间形态数据，结合算法分析实现从图像到定量证据的科学转化。这不仅为“类底物通道效应”提供了直观判断依据，更为反应机制的深入解析建立了可靠的技术路径。

平台化技术架构，赋能多领域研究突破
本次在合成生物学与生物催化领域的成功应用，验证了系统强大的技术适应性与拓展潜力。标准化操作流程与模块化设计使其能够无缝衔接细胞代谢、药物递送、材料表征等多种科研与工业场景，为跨领域创新研究提供统一的技术平台。

UltraView精准成像，跨界赋能

除了在合成生物学与酶级联催化领域展现出的卓越性能，振电科技UltraView技术在多领域研究中同样展现出强大适配性：

细胞代谢研究领域
系统可实现细胞内关键代谢物（如葡萄糖、脂肪酸、氨基酸）的原位动态追踪，无需标记即可观测线粒体代谢流、糖酵解过程等生理活动，为代谢疾病研究提供可视化工具。

药物研发与递送监测
通过无标记成像技术，可实时观测药物分子在细胞内的分布、代谢及释放动力学，评估纳米载药系统的靶向效率，为药物制剂优化提供直接证据。

临床诊断与病理分析
在保持组织完整性的前提下，系统可对临床样本进行快速、无损伤的成分分析，实现肿瘤边界界定、病理分级等辅助诊断，为精准医疗提供技术支持。

环境科学与微塑料检测
借助化学特异性成像能力，可快速识别环境中微塑料成分与分布，检测污染物在生物体内的积累过程，为环境监测与生态毒理研究提供新方法。

贵州大学的突破性研究，成功验证了振电科技以受激拉曼成像为核心的技术价值。该技术通过无标记、高分辨的原位动态成像，首次将酶催化中的“类底物通道效应”转化为直观可视证据，推动生物制造从经验试错迈向可视化理性设计的新阶段。振电科技UltraView系列高性能SRS设备，正成为科研人员洞察微观世界的“眼睛”，也是推动绿色生物制造向高效化、精准化发展的核心工具。

未来，随着该技术的持续推广与升级，将在更多前沿科研与工业应用中发挥关键作用，让纳米尺度过程“清晰可见”，为绿色制造的规模化与智能化注入全新动能。

文献来源：

[1]Youbo Yu, Xingcheng Zhou, Lisha Yan, Li Yang, Jie Hong, Krongthong Kamonsuangkasem, Peiyi Wang, W. M. W. W. Kandegama, Gefei Hao, Libo Zhang. Spatial organization of an enzyme cascade in a Ni-ZIF-8 framework for efficient sugar nucleotide synthesis. Green Chem., 2026. DOI: 10.1039/d5gc06007a