6月21日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所材料合成生物學(xué)研究中心（以下簡稱“深圳先進(jìn)院合成所材料中心”）王博團(tuán)隊(duì)、高翔團(tuán)隊(duì)和鐘超團(tuán)隊(duì)在國際著名學(xué)術(shù)期刊Chemical Reviews聯(lián)合在線發(fā)表綜述文章“Revisiting solar energy flow in nanomaterial-microorganism hybrid systems”。文章從系統(tǒng)層面論述了納米材料-微生物雜合體系捕獲太陽能并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程與機(jī)理，對(duì)該體系相關(guān)研究的重要進(jìn)展和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析與總結(jié)，對(duì)未來發(fā)展方向和潛在應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了思考與展望。
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王博團(tuán)隊(duì)此前曾發(fā)表綜述對(duì)半人工光合領(lǐng)域進(jìn)展進(jìn)行了回顧與展望（Energy Environ. Sci. 2022,15,529-549.)，本篇文章針對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了更深層次認(rèn)識(shí)、思考與總結(jié)。
當(dāng)今社會(huì)對(duì)于對(duì)可持續(xù)發(fā)展的需求正在不斷提升。半人工光合系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的多樣化利用太陽光能的策略之一。該系統(tǒng)兼具自然與人工光合系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)（圖1），在清潔能源生產(chǎn)、碳減排、綠色化學(xué)品生產(chǎn)等領(lǐng)域具有不可忽視的潛在價(jià)值。相比之下，基于半導(dǎo)體納米材料-微生物活細(xì)胞雜合體系（Nanomaterial-microbial hybrid system,NMHS）構(gòu)建的半人工光合系統(tǒng)最具發(fā)展?jié)摿Α?/span>
圖1. 自然光合作用、半人工光合作用和人工光合作用的主要特征以及各自優(yōu)勢(shì)。
雖然相關(guān)研究進(jìn)展迅速，絕大多數(shù)NMHS成功實(shí)例都因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換效率欠佳而無法投入實(shí)際應(yīng)用。造成這一現(xiàn)象的主要原因是對(duì)NMHS復(fù)雜且瞬態(tài)的內(nèi)在能量流動(dòng)過程缺乏系統(tǒng)性了解與分析，從而難以著手進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在這篇綜述中，研究團(tuán)隊(duì)通過梳理NMHS內(nèi)部能量流動(dòng)過程（光能捕獲-跨膜能量傳遞-能量轉(zhuǎn)化），針對(duì)當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)并提出合理的優(yōu)化方案。
在光能捕獲階段，半導(dǎo)體納米材料吸收光子能量激發(fā)光電子。光電子被微生物細(xì)胞直接或間接用于驅(qū)動(dòng)化學(xué)品生產(chǎn)。納米材料的能帶結(jié)構(gòu)決定了材料的捕光范圍和光電子的催化活性（圖2）。對(duì)于這一階段的優(yōu)化策略應(yīng)綜合考慮光照條件和材料的生物安全性，對(duì)包括調(diào)節(jié)材料能帶結(jié)構(gòu)以優(yōu)化捕光范圍和催化活性，強(qiáng)化材料和細(xì)胞的光耐受水平以適應(yīng)更高的光強(qiáng)，以及優(yōu)化納米材料的生物安全性以降低其對(duì)微生物的損害。在跨膜能量傳遞階段，納米材料捕獲的光能需要跨越細(xì)胞膜進(jìn)入胞內(nèi)驅(qū)動(dòng)代謝反應(yīng)。該階段優(yōu)化工作應(yīng)充分關(guān)注材料與細(xì)胞的結(jié)合方式（胞外懸浮、表面貼附、進(jìn)入胞內(nèi)）和能量跨膜傳遞模式（電子直接傳遞、借助電子介體或氫氣等）。優(yōu)化策略包括構(gòu)建人工傳遞途徑實(shí)現(xiàn)高效能量跨膜，強(qiáng)化材料和細(xì)胞的結(jié)合程度（貼附或胞內(nèi)富集），緩解胞內(nèi)材料對(duì)微生物活性的影響，以及構(gòu)建胞內(nèi)材料和目標(biāo)酶之間的特異性親和力。在能量轉(zhuǎn)化階段，微生物細(xì)胞通過酶催化將光能轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存為產(chǎn)物分子的化學(xué)鍵能。驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵代謝途徑的目標(biāo)酶可以從輔因子（NAD(P)H或ATP）、納米材料或載體獲取能量。該階段的優(yōu)化策略應(yīng)著眼于降低能量耗散，包括強(qiáng)化微生物對(duì)輔因子的利用效率，強(qiáng)化整微生物對(duì)特異性載體（比如H2和甲酸）的代謝活性，以及構(gòu)建材料和目標(biāo)酶之間的高特異性能量傳遞與轉(zhuǎn)化途徑。
圖2. 典型NMHS當(dāng)中半導(dǎo)體納米材料的能帶結(jié)構(gòu)。
研究團(tuán)隊(duì)還從系統(tǒng)性角度分析了當(dāng)前NMHS所面臨的挑戰(zhàn)并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案，包括利用現(xiàn)代儀器分析技術(shù)、合成生物學(xué)、高通量與自動(dòng)化、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等最新技術(shù)實(shí)現(xiàn)從機(jī)理解析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作到數(shù)據(jù)分析的全流程高效運(yùn)行（圖3）。
圖3. 系統(tǒng)性優(yōu)化NMHS當(dāng)中能量流動(dòng)的策略。
NMHS有潛力成為太陽能驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)化學(xué)品的清潔平臺(tái)，這對(duì)于推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。通過本篇綜述，研究團(tuán)隊(duì)回顧了該領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展，明確了NMHS后續(xù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，提出了系統(tǒng)級(jí)別的解決方案和優(yōu)化策略。以合成生物學(xué)技術(shù)為代表的現(xiàn)代科技手段可以在提高產(chǎn)品價(jià)值、豐富產(chǎn)物多樣性和優(yōu)化微生物生產(chǎn)效率等關(guān)鍵環(huán)節(jié)賦能NMHS，從而有效推動(dòng)系統(tǒng)的持續(xù)迭代進(jìn)化。一套具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的NMHS需要有機(jī)整合并充分協(xié)調(diào)所有有利因素，而高效能量流動(dòng)的成功實(shí)現(xiàn)是NMHS能從實(shí)驗(yàn)室邁向工業(yè)生產(chǎn)的基石。
深圳先進(jìn)院合成所材料中心研究員鐘超、副研究員王博、副研究員高翔，以及助理研究員曾翠平為本文的共同通訊作者。深圳先進(jìn)院合成所材料中心助理研究員梁俊，香港中文大學(xué)化學(xué)系博士肖可蒙，深圳先進(jìn)院合成所材料中心副研究員王新宇為共同第一作者。深圳先進(jìn)院合成所材料中心助理研究員侯天鳳對(duì)本文撰寫也做出重要貢獻(xiàn)。
本工作獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市自然科學(xué)基金、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
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