科学子课题:利用细菌生物膜开发可持续的半人工光合作用系统

来源：生物世界2022-05-09 1:40

未来通过进一步改造微生物的代谢途径，可以产生高附加值的经济化学分子。

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所深圳合成生物学创新研究所钟超研究组发表了一篇研究论文，题目是：光触媒矿化生物膜作为单酶到全细胞光催化应用的活生物-生物界面在科学进展。

本研究利用工程大肠杆菌生物膜的原位矿化作用构建了一种新的生物半导体兼容界面，并在此基础上实现了从单酶到全细胞规模的可循环光催化反应，为构建可持续的半人工光合系统提供了新的思路。

随着全球能源和环境问题的加剧，可再生清洁能源的发展，尤其是太阳能的转化和利用，已经引起了全球研究者的关注。半光合作用是近年来诞生的一个新的研究领域。结合生物体系的高产物选择性和半导体材料优异的光吸收性，可以实现太阳能驱动的燃料分子和化学物质的生产(例如利用光能驱动二氧化碳固定生成化学分子)。

为了实现细菌与半导体材料在微纳米尺度上的界面整合，目前常用的方法是将半导体纳米材料固定在细菌的外膜表面，或者通过细菌的胞吞作用将半导体材料与胞内酶接触。但由于细胞与半导体材料直接接触，半导体材料中的光生空穴在光照下会对细胞造成永久性损伤，从而严重影响反应体系的稳定性和可回收性。因此，如何构建一个牢固友好的生物半导体兼容界面一直是该领域的重要挑战之一。

细菌生物膜在自然界中普遍存在，由细菌及其分泌的细胞外基质组成。大肠杆菌生物膜具有自我再生、自适应和环境耐受的优点，其蛋白质组成主要由淀粉样卷曲纤维组成，易于基因工程改造。基于细菌生物膜，课题组前期开发了智能活胶、光控梯度活功能材料等多种活材料，并实现了其在生物催化、生物修复等领域的应用。

基于生物膜的工程转化和环境耐受性，课题组在本项目中提出用大肠杆菌生物膜构建生物半导体界面，可以将半导体纳米材料与细菌进行物理隔离，从而避免半导体材料与细胞的直接接触，减少半导体材料对细胞的损伤，最终开发出具有可持续特性的半人工光合作用系统。

在具体研究中，研究人员首先对CsgA进行合成生物转化，融合表达矿化短肽A7和CsgA蛋白，并分泌，赋予生物膜原位矿化的能力。如图1所示，通过在生物膜表面原位矿化CdS纳米颗粒，获得了光催化剂矿化的生物膜。纯化的异亮氨酸脱氢酶或细胞内表达的甲酸脱氢酶的组合，可以实现从单个酶到整个细胞的光催化反应体系。

图1:用光触媒矿化活性生物膜构建的半人工光合作用系统示意图。

通过透射电镜的高分辨率元素成像，可以看出纳米颗粒的元素组成确实包括Cd元素和S元素(图2)。对材料的光电性质进一步表征后发现，生物膜矿化的CdS保持了半导体性质，光生电子可以转移到电极或电子转移介质甲基紫精上。为了验证生物膜对细胞的保护作用，研究人员构建了一个表面展示矿化肽的对照菌株。在同样的条件下，矿化之后是光照。如图3所示，s的存活率

图2:光催化剂矿化活性生物膜的高分辨率表征。

图3:生物膜对细胞的保护作用

研究人员还发现，重要的辅酶NADH可以在光照条件下通过矿化生物膜而再生。随着异亮氨酸脱氢酶(LDH)的加入，三甲基丙酮酸可以被光能还原，选择性地产生L-异亮氨酸。研究人员通过工程转化进一步实现了生物膜和甲酸脱氢酶在大肠杆菌中的同时表达，使工程大肠杆菌具备了矿化和固定二氧化碳的能力。利用碳酸氢钠作为二氧化碳的来源，成功实现了二氧化碳光催化还原为甲酸的概念验证(图4)。与化学合成的CdS纳米粒子相比，矿化CdS表现出更好的催化效率。可能的原因是化学合成的纳米粒子需要配体来稳定，阻碍了活性位点的暴露。

图4。二氧化碳光催化还原为甲酸

与漂浮细胞相比，细菌生物膜具有更大的表面积、更强的环境耐受性和更方便灵活的功能修饰，是构建半人工光合作用系统的优良底盘。这项研究表明，无机材料和生物系统的无缝集成可以保护细胞免受高能半导体材料的损害。未来通过进一步改造微生物的代谢途径，可以产生高附加值的经济化学分子。由于微生物系统具有自我再生的能力，生物膜系统易于放大生产，该方法为未来实现可持续的大规模光催化应用提供了新的方向。

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