Science子刊 | 为细菌装上“纳米光伏电机”，构建“人工光细胞”

2023-07-23 16:07

2023年7月21日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组与芝加哥大学田博之课题组合作，在 Science Advances 期刊发表了题为：Periplasmic Biomineralization for Semi-Artificial Photosynthesis 的研究论文。

该研究通过在大肠杆菌周质空间靶向合成半导体材料（纳米光伏颗粒），将半导体材料吸收光能产生的电子高效转化为细菌胞内的生物能。

将高效吸收光能的半导体材料与高选择性催化的活细胞集成，合成一种新的人工体系（“人工光细胞”），利用微生物的优异胞内催化能力将半导体吸收的光能转化为化学能，可潜在大幅提高人工光合作用的效率和特异性生产复杂化合物的能力，为光驱生物制造技术提供新的路径。然而，半导体材料吸收光能产生的是电子，细胞利用的能量为生物能（ATP和(NADP)H），因此必须将电子转化为生物能才能实现新技术路径。由于细胞膜磷脂双分子层绝缘性，致使半导体材料光生电子极难进入细胞，与胞内生物电子交汇并转化为生物能的效率低。因此如何将光生电子高效转化为细菌可用的生物能是目前亟需解决的问题。

细菌胞内的生物电子沿着位于细胞内膜上的氧化呼吸链传递向下游传递，在内膜建立跨膜质子梯度，从而驱动ATP合酶产生ATP。周质空间是位于细菌内外膜之间的狭窄空间，如果能将半导体纳米颗粒定向在周质空间内合成，光生电子可在物理空间更接近氧化呼吸链，有利于光生电子进入氧化呼吸链并传递，进而驱动ATP的合成。我们应该如何在细菌周质空间定向合成纳米材料，构建独特材料-细菌杂合体呢？

图1：细菌周质空间定向合成纳米光伏颗粒实现光生电子到生物能高效转化

研究团队受自然界中材料-生物界面的启发：例如，厘米尺度的动物鳞片与表皮细胞，微米尺度钙板金藻外壳材料与细胞之间，均形成具有保护功能的外壳材料。所以，研究人员构思了在大肠杆菌的周质空间中定向合成CdS半导体材料，为其装上纳米光伏颗粒的外壳，合成新型生物界面的设计思路。

具体来说，研究团队在通过大肠杆菌在胞内利用半胱氨酸（Cys）合成H2S，因H2S具有极高的膜通透性（比水分子高3个数量级），可快速扩散至周质空间并与摄入到周质空间的Cd2+反应，形成相应的CdS纳米颗粒外壳。

图2：周质空间空间定向合成CdS纳米团簇

研究团队使用基于同步加速器的3D-X射线荧光光谱（3D X-ray fluorescence）和描透射电子显微镜（STEM）确认大肠菌成功合成CdS纳米颗粒；制备材料-细菌杂合体的超薄切片，通过STEM分析，发现CdS纳米颗粒主要分布在周质空间内，大小约为29.3nm，其结晶度低；进一步利用超声破碎细胞、溶剂提取和分散细菌中的CdS纳米颗粒，发现其大小仅为6nm左右，且结晶度提高，说明周质空间原位合成纳米颗粒可能为多个CdS“纳米团簇（nanoclusters）”（约5个），其结晶度降低，但依然赋予了生物杂合体荧光特性，荧光成像和荧光光谱表明周质空间合成的CdS纳米团簇是亚稳态的，主要是无序和富含缺陷的聚集体。

图3：细菌周质空间定向合成CdS纳米颗粒机制解析

为了研究CdS形成的机制，研究团队对周质空间原位合成CdS纳米团簇的细菌进行转录组分析，发现细菌中与H2S合成相关的基因（cysK、dcyD、cysM、metB、metC和sufS等）、外排泵相关基因（tolC、cueO和macA等）都显著上调，表明Cd2+被细菌吸收进入周质空间和胞内，胞内的Cd2+通过细菌外排泵又被转移至周质空间（降低重金属离子对细胞的毒性），而H2S具有极高的细胞膜穿透能力，快速从胞内进入周质空间，与Cd2+反应合成CdS纳米颗粒。因此，CdS在大肠杆菌的周质空间内形成。

图4：周质空间-半导体生物界面的光生电子与氧化呼吸链偶联驱动半人工光合作用

转录组还显示周质空间内合成CdS的细菌杂合体在光照的条件下，与氧化呼吸链相关的基因（包括甲酸脱氢酶、NADH脱氢酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、d -乳酸脱氢酶和葡萄糖脱氢酶）和ATP合成酶相关基因均显著上调，表明CdS吸收光能产生的电子加速了细菌氧化呼吸链电子传递速率，因此可能提高ATP的合成。为了验证这一推测，研究人员对杂合体胞内ATP浓度进行分析，发现杂合体在光照条件下比黑暗条件下的ATP高8.1倍，并应用于提高ATP推动的合成途径的代谢通量。

该研究报道了一种新型“人工光细胞”构建方法，将半导体材料吸收光能产生电子有效转化为生物能，使不能利用光能的工业发酵微生物有效利用光能，在生物制造方面更具优势。中科院深圳先进院合成生物学所高翔研究员和芝加哥大学田博之教授为论文通讯作者，芝加哥大学林艺良（现为新加坡国立大学助理教授）、史久昀和深圳先进技术研究院冯炜为论文第一作者。该工作获得了深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。

高翔与林艺良在材料-微生物界面设计、构建与应用方向建立紧密合作，该方向目前经费充足，长期招收相关方向的博士后，欢迎联系（[email protected]， [email protected]）。

通讯作者简介：

高翔，博士生导师，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，中科院“百人计划”和深圳市优秀青年入选者。实验室主要研究方向为半导体合成生物学：将高效吸收光能的半导体材料与高选择性催化的活细胞集成，合成一种新的人工体系（“人工光细胞”），利用微生物的优异胞内催化能力将半导体吸收的光能转化为化学能，致力于突破天然光合作用的理论极限，合成人工光能自养细胞工厂，发展光驱固碳生物制造技术的新路径。研究成果以第一和通讯（含共同）作者身份，发表在 Nature Chemistry、Science Advances、Energy ＆ Environmental Science、ACS Energy Letter 期刊上；主持国家自然科学基金面上项目、深圳市重点项目，参与国自然重点项目和合成生物学重点研发计划等。实验室目前正在招收相关方向的博士后2名，研究助理1名，同时招收联合培养学生1-2名。

林艺良，新加坡国立大学助理教授，在实验室的研究方向将主要集中于新型柔性电子材料、生物医用高分子材料、材料生物杂合体、针对慢性疾病精准治疗的活体功能材料。林艺良教授一直致力于跨学科研究方向，和不同背景的研究人员和学者，包括医院研究人员，同步辐射物理学家，力学专家，生物物理学家等建立了长期合作的联系。林艺良教授的研究成果以第一和通讯（含共同）作者身份，发表在 Nature Chemistry、Science Advances、Nano Letter、 Trends in Chemistry 等。实验室现有2024年秋季入学的博士生名额若干，博士后研究人员名额一位，欢迎感兴趣的同学和学者发送申请材料到邮箱. 也欢迎不同背景的访学学生来进行长期（至少一年）的交流和访问。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg5858

来源：生物世界

往期推荐

1. 知网通知：来领稿酬了！有你吗？