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。然而，半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生的是電子，細(xì)胞利用的能量為生物能（ATP和(NADP)H），因此必須將電子轉(zhuǎn)化為生物能才能實(shí)現(xiàn)新技術(shù)路徑。由于細(xì)胞膜磷脂雙分子層絕緣性，致使半導(dǎo)體材料光生電子極難進(jìn)入細(xì)胞，與胞內(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。
細(xì)菌胞內(nèi)的生物電子沿著位于細(xì)胞內(nèi)膜上的氧化呼吸鏈傳遞向下游傳遞，在內(nèi)膜建立跨膜質(zhì)子梯度，從而驅(qū)動(dòng)ATP合酶產(chǎn)生ATP。周質(zhì)空間是位于細(xì)菌內(nèi)外膜之間的狹窄空間，如果能將半導(dǎo)體納米顆粒定向在周質(zhì)空間內(nèi)合成，光生電子可在物理空間更接近氧化呼吸鏈，有利于光生電子進(jìn)入氧化呼吸鏈并傳遞，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)ATP的合成。我們應(yīng)該如何在細(xì)菌周質(zhì)空間定向合成納米材料，構(gòu)建獨(dú)特材料-細(xì)菌雜合體呢？
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所高翔課題組與芝加哥大學(xué)田博之課題組報(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，使不能利用光能的工業(yè)發(fā)酵微生物有效利用光能。研究團(tuán)隊(duì)受自然界中材料-生物界面的啟發(fā)：例如，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，均形成具有保護(hù)功能的外殼材料。所以，研究人員構(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。
團(tuán)隊(duì)通過在大腸桿菌周質(zhì)空間靶向合成半導(dǎo)體材料（納米光伏顆粒），將半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生的電子高效轉(zhuǎn)化為細(xì)菌胞內(nèi)的生物能。具體來說，研究者在通過大腸桿菌在胞內(nèi)利用半胱氨酸（Cys）合成H2S, 因H2S具有極高的膜通透性（比水分子高3個(gè)數(shù)量級），可快速擴(kuò)散至周質(zhì)空間并與攝入到周質(zhì)空間的Cd2+反應(yīng)，形成相應(yīng)的CdS納米顆粒外殼。 科研團(tuán)隊(duì)使用基于同步加速器的3D-X射線熒光光譜（3D X-ray fluorescence）和描透射電子顯微鏡 （STEM）確認(rèn)大腸菌成功合成CdS納米顆粒；制備材料-細(xì)菌雜合體的超薄切片，通過STEM分析，發(fā)現(xiàn)CdS納米顆粒主要分布在周質(zhì)空間內(nèi)，大小約為29.3 nm，其結(jié)晶度低；進(jìn)一步利用超聲破碎細(xì)胞、溶劑提取和分散細(xì)菌中的CdS納米顆粒，發(fā)現(xiàn)其大小僅為6 nm左右，且結(jié)晶度提高，說明周質(zhì)空間原位合成納米顆?？赡転槎鄠€(gè)CdS“納米團(tuán)簇（nanoclusters）”（約5個(gè)），其結(jié)晶度降低，但依然賦予了生物雜合體熒光特性，熒光成像和熒光光譜表明周質(zhì)空間合成的CdS納米團(tuán)簇是亞穩(wěn)態(tài)的，主要是無序和富含缺陷的聚集體。
為了研究CdS形成的機(jī)制，研究人員對周質(zhì)空間原位合成CdS納米團(tuán)簇的細(xì)菌進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中與H2S合成相關(guān)的基因（cysK、dcyD、cysM、metB、metC和sufS等）、外排泵相關(guān)基因（tolC、cueO和macA等）都顯著上調(diào)，表明Cd2+被細(xì)菌吸收進(jìn)入周質(zhì)空間和胞內(nèi)，胞內(nèi)的Cd2+通過細(xì)菌外拍泵又被轉(zhuǎn)移至周質(zhì)空間（降低重金屬離子對細(xì)胞的毒性），而H2S具有極高的細(xì)胞膜穿透能力，快速從胞內(nèi)進(jìn)入周質(zhì)空間，與Cd2+反應(yīng)合成CdS納米顆粒。因此，CdS在大腸桿菌的周質(zhì)空間內(nèi)形成。
轉(zhuǎn)錄組還顯示周質(zhì)空間內(nèi)合成CdS的細(xì)菌雜合體在光照的條件下，與氧化呼吸鏈相關(guān)的基因（包括甲酸脫氫酶、NADH脫氫酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、d -乳酸脫氫酶和葡萄糖脫氫酶）和ATP合成酶相關(guān)基因均顯著上調(diào)，表明CdS吸收光能產(chǎn)生的電子加速了細(xì)菌氧化呼吸鏈電子傳遞速率，因此可能提高ATP的合成。為了驗(yàn)證這一推測，研究人員對雜合體胞內(nèi)ATP濃度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雜合體在光照條件下比黑暗條件下的ATP高8.1倍，并應(yīng)用于提高ATP推動(dòng)的合成途徑的代謝通量。
相關(guān)成果發(fā)表在國際高水平學(xué)術(shù)期刊Science Advances（科學(xué)進(jìn)展）上，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所高翔研究員和芝加哥大學(xué)的田博之教授為本文的通訊作者，芝加哥大學(xué)林藝良（現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)助理教授）、史久昀和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院馮煒為本文第一作者。該工作獲得了深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。
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
周質(zhì)空間空間定向合成CdS納米團(tuán)簇
細(xì)菌周質(zhì)空間定向合成CdS納米顆粒機(jī)制解析
周質(zhì)空間-半導(dǎo)體生物界面的光生電子與氧化呼吸鏈偶聯(lián)驅(qū)動(dòng)半人工光合作用
附件下載：