透射電子顯微鏡拍的大腸桿菌生物被膜照片 來源：研究團隊供圖
“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物，并釋放氧氣的過程。
而近期科學領域非常“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，利用光能催化生產燃料分子或各種有用化學品。半人工光合系統中通常采用半導體作為吸光材料，然而在反應過程存在吸光材料與生物細胞不兼容，導致光合作用效果較差、細胞難以循環使用等一系列問題。
北京時間5月7日，發表在Science子刊《科學進展》上的一項最新研究表明，細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納米材料和細菌，顯著降低光照條件下半導材料對細菌細胞膜的破壞，最終提高半人工光合作用體系的穩定性和可持續性。研究人員利用這一設計的界面，實現了光驅二氧化碳的高效固定，為收獲高附加值的能源和化學品提供了重要工具。
這一成果由中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所、深圳合成生物學創新研究院鐘超課題組副研究員王新宇和上海科技大學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 為細胞構筑“防護網”
當前的半人工光合系統通常由吸光材料和工程細菌兩部分構成，前者負責吸收并儲存太陽光中的能量，后者則可以利用這些能量，進而生產各種對人類有用的產品。半導體材料因其優良的吸光性能，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”則對細菌有很強的毒性，在反應過程中，光生氧化空穴會對細菌細胞造成破壞，甚至會造成整個細胞的破裂，嚴重影響“細菌工廠”的正常運轉。
那么，要如何解決這一問題呢？
在此項研究中，研究團隊從減少半導體材料與細菌接觸的角度出發，進行了響應設計與研究。在半人工光合作用體系中，通過合成生物學改造大腸桿菌生物被膜，經由生物被膜的微生物原位礦化機制構建了一種牢固的生物材料+無機材料的兼容界面。
研究人員首先在基因層面對大腸桿菌生物被膜的主要成分——CsgA蛋白進行了重新設計，通過將其與具有礦化能力的短肽融合表達，使其能原位固定及負載半導體顆粒。
這樣，在生物被膜的固定下，半導體材料就很難對細菌產生破壞，相當于在細菌工廠表面人為鋪上了一張防護網。
就像人類干活要吃飯，生物干活也要吸收能量，半導體需要在吸收光能后通過“安全網”傳給微生物細胞，才能使細胞更有動力去“變身”。
“在半人工光合作用這一新興領域，團隊通過合成生物學技術構建的大腸桿菌功能生物被膜，能起到‘安全網’的作用”。王新宇說道，通過表達具有礦化能力的胞外被膜蛋白，避免了高能半導體材料與細菌的直接接觸，從而大大降低了對工程菌的傷害。
科學手段助力綠色制造
細菌生物被膜在自然界中普遍存在，由細菌及其分泌的胞外基質共同組成，這種天然的活體材料具有功能可編程、自我再生以及環境耐受等特點，因此在規模化光催化方面有較大的應用潛力。比如，在當前的發酵體系中采用的多是懸浮細胞，無法固著。而生物被膜由于內在的貼壁生長特性，因此可以通過流動床反應器的設計，實現光催化產物的源源不斷生產。
研究人員通過工程改造的方式，使得構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，成功構建了能實現光催化還原二氧化碳生成甲酸的半人工光合系統。
然而，在生物被膜半人工光合作用體系當中，研究人員僅僅引入了單一的酶，還無法實現高附加值經濟產物的生成。未來，研究團隊會繼續對微生物進行改造，構建二氧化碳到長鏈高附加值化學分子的合成通路，并對生物被膜的光催化反應體系進行中試發酵嘗試，驗證該成果體系的規模化生產能力。
當前，在合成生物學領域，國內出現了二氧化碳轉化為淀粉或葡萄糖的重大突破，然而整個體系關鍵的第一步反應，二氧化碳固定仍然是通過化學催化方法實現，增加了反應體系的復雜性。該研究通過半人工光合體系的構建實現了全細胞的二氧化碳固定，未來有望通過全鏈條優化，實現基于全細胞體系的二氧化碳到高附加值長鏈化合物的轉化。
“我們利用合成生物技術工程改造細菌生物被膜，構建了一個全新的生物-無機兼容界面，并基于此實現了從單酶到全細胞尺度上可循環利用的半人工光合作用體系，為未來可持續性半人工光合體系的開發提供了一種新的思路，也體現了材料合成生物學技術在能源領域的廣闊應用前景。”鐘超表示。
論文相關信息：10.1126/sciadv.abm7665
標簽： 中國科學報社
