透射電子顯微鏡拍的大腸桿菌生物被膜照片 來源：研究團(tuán)隊供圖

“萬物生長靠太陽”。光合作用指植物或藻類吸收太陽光，將二氧化碳和水合成有機(jī)物，并釋放氧氣的過程。

而近期科學(xué)領(lǐng)域非常“火爆”的半人工光合作用其原理也十分類似，主要是通過人為的方式去模擬光合作用，利用光能催化生產(chǎn)燃料分子或各種有用化學(xué)品。半人工光合系統(tǒng)中通常采用半導(dǎo)體作為吸光材料，然而在反應(yīng)過程存在吸光材料與生物細(xì)胞不兼容，導(dǎo)致光合作用效果較差、細(xì)胞難以循環(huán)使用等一系列問題。

北京時間5月7日，發(fā)表在Science子刊《科學(xué)進(jìn)展》上的一項最新研究表明，細(xì)菌生物被膜可提供一個理想界面，在微米尺度物理分隔半導(dǎo)納米材料和細(xì)菌，顯著降低光照條件下半導(dǎo)材料對細(xì)菌細(xì)胞膜的破壞，最終提高半人工光合作用體系的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。研究人員利用這一設(shè)計的界面，實(shí)現(xiàn)了光驅(qū)二氧化碳的高效固定，為收獲高附加值的能源和化學(xué)品提供了重要工具。

這一成果由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院鐘超課題組副研究員王新宇和上?？萍即髮W(xué)博士生張繼聰為文章共同第一作者，鐘超研究員為唯一通訊作者。

生物被膜 為細(xì)胞構(gòu)筑“防護(hù)網(wǎng)”

當(dāng)前的半人工光合系統(tǒng)通常由吸光材料和工程細(xì)菌兩部分構(gòu)成，前者負(fù)責(zé)吸收并儲存太陽光中的能量，后者則可以利用這些能量，進(jìn)而生產(chǎn)各種對人類有用的產(chǎn)品。半導(dǎo)體材料因其優(yōu)良的吸光性能，常作為半人工光合作用的吸光材料。

然而，在半導(dǎo)體材料吸收太陽光能量的同時，也會在其周圍生成一種“氧化空穴”，這種“氧化空穴”則對細(xì)菌有很強(qiáng)的毒性，在反應(yīng)過程中，光生氧化空穴會對細(xì)菌細(xì)胞造成破壞，甚至?xí)斐烧麄€細(xì)胞的破裂，嚴(yán)重影響“細(xì)菌工廠”的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

那么，要如何解決這一問題呢？

在此項研究中，研究團(tuán)隊從減少半導(dǎo)體材料與細(xì)菌接觸的角度出發(fā)，進(jìn)行了響應(yīng)設(shè)計與研究。在半人工光合作用體系中，通過合成生物學(xué)改造大腸桿菌生物被膜，經(jīng)由生物被膜的微生物原位礦化機(jī)制構(gòu)建了一種牢固的生物材料+無機(jī)材料的兼容界面。

研究人員首先在基因?qū)用鎸Υ竽c桿菌生物被膜的主要成分——CsgA蛋白進(jìn)行了重新設(shè)計，通過將其與具有礦化能力的短肽融合表達(dá)，使其能原位固定及負(fù)載半導(dǎo)體顆粒。

這樣，在生物被膜的固定下，半導(dǎo)體材料就很難對細(xì)菌產(chǎn)生破壞，相當(dāng)于在細(xì)菌工廠表面人為鋪上了一張防護(hù)網(wǎng)。

就像人類干活要吃飯，生物干活也要吸收能量，半導(dǎo)體需要在吸收光能后通過“安全網(wǎng)”傳給微生物細(xì)胞，才能使細(xì)胞更有動力去“變身”。

“在半人工光合作用這一新興領(lǐng)域，團(tuán)隊通過合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建的大腸桿菌功能生物被膜，能起到‘安全網(wǎng)’的作用”。王新宇說道，通過表達(dá)具有礦化能力的胞外被膜蛋白，避免了高能半導(dǎo)體材料與細(xì)菌的直接接觸，從而大大降低了對工程菌的傷害。

科學(xué)手段助力綠色制造

細(xì)菌生物被膜在自然界中普遍存在，由細(xì)菌及其分泌的胞外基質(zhì)共同組成，這種天然的活體材料具有功能可編程、自我再生以及環(huán)境耐受等特點(diǎn)，因此在規(guī)模化光催化方面有較大的應(yīng)用潛力。比如，在當(dāng)前的發(fā)酵體系中采用的多是懸浮細(xì)胞，無法固著。而生物被膜由于內(nèi)在的貼壁生長特性，因此可以通過流動床反應(yīng)器的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)光催化產(chǎn)物的源源不斷生產(chǎn)。

研究人員通過工程改造的方式，使得構(gòu)建的大腸桿菌生物被膜具備了礦化和固定二氧化碳的能力，成功構(gòu)建了能實(shí)現(xiàn)光催化還原二氧化碳生成甲酸的半人工光合系統(tǒng)。

然而，在生物被膜半人工光合作用體系當(dāng)中，研究人員僅僅引入了單一的酶，還無法實(shí)現(xiàn)高附加值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物的生成。未來，研究團(tuán)隊會繼續(xù)對微生物進(jìn)行改造，構(gòu)建二氧化碳到長鏈高附加值化學(xué)分子的合成通路，并對生物被膜的光催化反應(yīng)體系進(jìn)行中試發(fā)酵嘗試，驗證該成果體系的規(guī)?；a(chǎn)能力。

當(dāng)前，在合成生物學(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)出現(xiàn)了二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉或葡萄糖的重大突破，然而整個體系關(guān)鍵的第一步反應(yīng)，二氧化碳固定仍然是通過化學(xué)催化方法實(shí)現(xiàn)，增加了反應(yīng)體系的復(fù)雜性。該研究通過半人工光合體系的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了全細(xì)胞的二氧化碳固定，未來有望通過全鏈條優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)基于全細(xì)胞體系的二氧化碳到高附加值長鏈化合物的轉(zhuǎn)化。

“我們利用合成生物技術(shù)工程改造細(xì)菌生物被膜，構(gòu)建了一個全新的生物-無機(jī)兼容界面，并基于此實(shí)現(xiàn)了從單酶到全細(xì)胞尺度上可循環(huán)利用的半人工光合作用體系，為未來可持續(xù)性半人工光合體系的開發(fā)提供了一種新的思路，也體現(xiàn)了材料合成生物學(xué)技術(shù)在能源領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。”鐘超表示。

論文相關(guān)信息：10.1126/sciadv.abm7665

標(biāo)簽： 中國科學(xué)報社