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半導(dǎo)體材料+細(xì)胞,成功為細(xì)菌裝上“納米光伏電機(jī)
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2023-07-31 15:16:07
無機(jī)材料與生物界面往往能形成“1+1＞2”的協(xié)同效應(yīng)。動(dòng)物鱗片與表皮細(xì)胞、鈣板金藻外殼材料與細(xì)胞之間，都能形成具有保護(hù)功能的外殼材料。



據(jù)介紹，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-納米 光伏顆粒-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。



在深圳科研團(tuán)隊(duì)的努力下，讓微生物能利用光源并提高天然光合作用效率的研究工作取得重大突破——通過構(gòu)建一種新型“人工光細(xì)胞”，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)。目前，該項(xiàng)成果發(fā)表于國(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)展》。



半導(dǎo)體材料+細(xì)胞=“人工光細(xì)胞”



近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所高翔課題組與芝加哥大學(xué)田博之課題組由此獲得啟迪，他們創(chuàng)造了一種新型“人工光細(xì)胞”構(gòu)建方法，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。由此，就可以將半導(dǎo)體材料吸收光能后產(chǎn)生的電子有效轉(zhuǎn)化為生物能，使不能利用光能的工業(yè)發(fā)酵微生物有效利用光能。



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)。



該研究中，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。



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。



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