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光能易獲取、能量充足，是公認(rèn)的未來人類最安全、最綠色、最理想的替代能源之一。天然光合作用可以直接利用光能固定空氣中的二氧化碳合成有機(jī)物，但光合作用的效率較低（通常低于1%）。

近年來發(fā)展的半導(dǎo)體材料-微生物人工雜合體系，同時(shí)結(jié)合了高效捕獲光能的半導(dǎo)體材料和高特異性催化的微生物細(xì)胞，已成功實(shí)現(xiàn)了讓不能利用光能的微生物能夠利用光能，并提高天然光合作用效率。

然而，由于細(xì)胞膜磷脂雙分子層具有絕緣性，致使半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生的電子極難進(jìn)入細(xì)胞，與細(xì)胞內(nèi)生物電子交匯并轉(zhuǎn)化為生物能的效率低。因此，如何將光生電子高效轉(zhuǎn)化為細(xì)菌可用的生物能是目前亟需解決的問題。

7月22日，國(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)展》在線發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果，該工作報(bào)道一種新型“人工光細(xì)胞”構(gòu)建方法，將半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生電子有效轉(zhuǎn)化為生物能，讓不能利用光能的工業(yè)發(fā)酵微生物可以有效利用光能，在生物制造方面更具優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所副研究員高翔和芝加哥大學(xué)教授田博之為該論文的通訊作者，芝加哥大學(xué)林藝良（現(xiàn)為新加坡國(guó)立大學(xué)助理教授）、史久昀和深圳先進(jìn)院高翔課題組訪問學(xué)者馮煒為該論文的第一作者。

合成設(shè)計(jì)“生物軟界面”

將高效吸收光能的半導(dǎo)體材料與高選擇性催化的活細(xì)胞集成，合成一種新的人工體系（“人工光細(xì)胞”），利用微生物的優(yōu)異胞內(nèi)催化能力將半導(dǎo)體吸收的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，可潛在大幅提高人工光合作用的效率和特異性生產(chǎn)復(fù)雜化合物的能力，為光驅(qū)生物制造技術(shù)提供新的路徑。

自然界中，厘米尺度的動(dòng)物鱗片與表皮細(xì)胞，微米尺度鈣板金藻外殼材料與細(xì)胞之間，都可以形成具有保護(hù)功能的外殼材料。研究團(tuán)隊(duì)受自然界中材料-生物界面的啟發(fā)，構(gòu)思了在大腸桿菌的周質(zhì)空間中定向合成CdS半導(dǎo)體材料，為其裝上納米光伏顆粒的外殼，合成新型生物界面的設(shè)計(jì)思路。

“研究中展示了一種通過微生物自身礦化的方法在細(xì)菌周質(zhì)空間內(nèi)合成CdS半導(dǎo)體材料，創(chuàng)建納米尺度的‘外骨骼’，形成材料-生物雜合體，可直接利用光能應(yīng)用綠色生物制造方向，提高生物合成的效率”，論文通訊作者高翔說道。半導(dǎo)體納米團(tuán)簇的結(jié)晶度較低，并被周質(zhì)的肽聚糖基質(zhì)穩(wěn)定，從而提供了一個(gè)比化學(xué)法合成半導(dǎo)體“更柔軟”的材料-生物界面，生物相容性更好。

此外，團(tuán)隊(duì)還研究了周質(zhì)半導(dǎo)體團(tuán)簇將光敏特性與細(xì)菌代謝結(jié)合起來的能力，以增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)的生物合成和光能驅(qū)動(dòng)的生物基化學(xué)品生產(chǎn)，并探索周質(zhì)空間定向合成材料和材料-生物雜合體提高生物合成效率的機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，在半導(dǎo)體團(tuán)簇礦化后，生物雜化材料顯示出了更高的薄膜密度，且這種生物雜化材料還能夠礦化多種金屬元素，形成“高熵”半導(dǎo)體團(tuán)簇。

細(xì)菌周質(zhì)空間定向合成納米光伏顆粒實(shí)現(xiàn)光生電子到生物能高效轉(zhuǎn)化，來源：科研團(tuán)隊(duì)供圖

構(gòu)建新型“人工光細(xì)胞”

該研究中，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)細(xì)菌周質(zhì)空間可以為半導(dǎo)體納米團(tuán)簇的生物礦化提供獨(dú)特的反應(yīng)空間，在光照條件下，亞穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體納米團(tuán)簇產(chǎn)生電子可直接進(jìn)入位于細(xì)菌內(nèi)膜上的電子傳遞鏈并傳遞電子，提高質(zhì)子梯度并驅(qū)動(dòng)ATP合酶合成ATP,進(jìn)而促進(jìn)蘋果酸的生成。

高翔介紹，目前研究開發(fā)的用于增強(qiáng)光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)品合成的周質(zhì)空間材料-生物雜合體可以擴(kuò)展到其他細(xì)菌或細(xì)胞中，提高光能利用和產(chǎn)物合成，還可以潛在地應(yīng)用于重金屬污染修復(fù)。結(jié)合半導(dǎo)體、豐富的分子生物學(xué)工具和現(xiàn)有的微生物模型，周質(zhì)空間-生物雜合體平臺(tái)將能夠以經(jīng)濟(jì)有效的方式生產(chǎn)生物基化學(xué)品、燃料和藥物分子。

綠色生物制造是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展線路重要組成部分，多種重要的化學(xué)品生物合成需要消耗大量的體內(nèi)供能物質(zhì)——三磷酸腺苷（ATP）。例如，萜類化合物是一大類最重要的天然產(chǎn)物，包括青蒿素、紫杉醇和番茄紅素等，主要通過甲羥戊酸途徑（MVA）合成其通用前體，需要消耗大量的ATP,細(xì)胞ATP供應(yīng)不充足通常是該途徑關(guān)鍵限速因子，該研究通過構(gòu)建周質(zhì)空間-微生物的雜合體，可以高效的吸收光能并轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)ATP，進(jìn)而有效驅(qū)動(dòng)胞內(nèi)ATP依賴型的產(chǎn)物合成途徑。

原標(biāo)題：“人工光細(xì)胞”為細(xì)菌裝上“納米光伏電機(jī)”