JACS |?光合萬物：構(gòu)建光催化劑-人工微生物群落雜合體驅(qū)動(dòng)固碳高值化學(xué)品生物合成

自然界中，植物靠光合作用，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成糖類等長鏈分子，支撐 起地球生態(tài)系統(tǒng)的能量循環(huán)。我們?nèi)绻芙馕?、模擬并重構(gòu)這個(gè)過程，不僅能解決人類可持續(xù)能源的難題，還將成為太空移民等未來探索的關(guān)鍵技術(shù)。在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)持續(xù)推進(jìn)的背景下，如何高效地把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)二氧化碳向高附加值化學(xué)品的定向轉(zhuǎn)化，已成為人工光合作用與綠色制造領(lǐng)域的前沿科學(xué)挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，材料 - 生物耦合催化的生物光催化雜合體系憑借其融合無機(jī)材料高效光能捕獲轉(zhuǎn)化能力與生物體系高選擇性合成復(fù)雜產(chǎn)物的優(yōu)勢，成為新一代人工光合技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，現(xiàn)有體系仍面臨兩大瓶頸：其一，依賴半胱氨酸、甘油、三乙醇胺、抗壞血酸等犧牲性空穴清除劑，既增加成本又導(dǎo)致產(chǎn)物純化復(fù)雜化；其二，受限于非生物 C-C 偶聯(lián)的動(dòng)力學(xué)障礙及 非模式 自養(yǎng)底盤遺傳工具匱乏，多數(shù)體系僅能合成 C1-C2 產(chǎn)物難以突破多碳（ C3+ ）分子合成瓶頸。簡言之，以 CO? 和 H?O 為原料光驅(qū)動(dòng)合成長鏈化學(xué)品 ， 仍是 該 領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

針對此挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出 “ 分工協(xié)作 ” 新范式 —— 將還原力產(chǎn)生、 CO? 固定與碳鏈延長分別交由不同功能模塊完成。 基于這一思路， 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 合成生物學(xué)研究所 鐘超 課題組、 高翔 課題組聯(lián)合上?？萍即髮W(xué) 馬貴軍 課題組 ， 于近日 在《美國化學(xué)會志》（ Journal of the American Chemical Society ）發(fā)表題為Light-Driven C4Biosynthesis from CO2and H2O via Engineered Photocatalyst–Microbial Consortia的論文。該研究構(gòu)建了全解水光催化劑與工程微生物群落的雜合體系，實(shí)現(xiàn)了以CO?和H?O為唯一底物光驅(qū)動(dòng)合成丁二酸，為可持續(xù)太陽能驅(qū)動(dòng)的多碳產(chǎn)物合成建立了新平臺，拓展了活體功能材料在可持續(xù)能源領(lǐng)域的研究邊界。

研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了 Z-scheme 光催化平臺： RuO ?- Mo:BiVO ? 負(fù)責(zé)水氧化（模擬天然光系統(tǒng) II 功能）， Ru@CrOx-Rh:SrTiO ? 負(fù)責(zé)光電子生成與還原（模擬天然光系統(tǒng) I 功能）， ITO 作為電子傳輸媒介提升電荷分離效率。開爾文探針力顯微鏡（ KPFM ）表征顯示，光催化劑間形成 230 毫伏表面光電壓差（ ΔSPV ），證實(shí)了高效電荷分離特性。該體系無需犧牲劑即可驅(qū)動(dòng)水氧化與電子轉(zhuǎn)移，為生物催化提供持續(xù)還原力。

圖 1 . 光催化劑 - 微生物群落生物復(fù)合體系實(shí)現(xiàn)光驅(qū)二氧化碳固定生成琥珀酸（ a ）天然光合作用；（ b ）人工生物復(fù)合體系

進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)改造大腸桿菌生物被膜實(shí)現(xiàn)雙功能：其一，通過共形貼附使生 物被膜在光催化劑表面形成均勻致密涂層；其二，在胞內(nèi)表達(dá)甲酸脫氫酶（ FDH ）賦予 CO? 固定能力，利用光生電子驅(qū)動(dòng) CO? 還原生成甲酸。由此構(gòu)建的光催化劑 - 生物被膜復(fù)合體系，模擬了天然光合作用的光能轉(zhuǎn)化路徑 —— 光生電子高效傳遞至工程菌細(xì)胞內(nèi)驅(qū)動(dòng)甲酸合成，空穴則被水氧化消耗，形成無犧牲劑的完整光驅(qū)動(dòng)反應(yīng)循環(huán)。電化學(xué)測試表明，該雜化體系光照下瞬態(tài)光電流顯著優(yōu)于對照體系；電荷動(dòng)力學(xué)分析顯示 ， 生物膜引入后電子傳輸時(shí)間縮短，細(xì)胞內(nèi) NADH/NAD? 水平提升 2.5 倍，驗(yàn)證了光電子成功參與代謝反應(yīng)。

在 CO? 轉(zhuǎn)化性能方面，模擬太陽光照射 6 小時(shí)可生成 0.68 mM 甲酸； 450 nm 單色光下表觀量子效率 為 0.148% 。大腸桿菌是異養(yǎng)微生物，提供營養(yǎng)物質(zhì)能夠顯著增強(qiáng) 其 代謝活性。添加糖蜜副產(chǎn)物作為輔助碳源 后 ，甲酸產(chǎn)量提升至 1.30 mM （增幅 1.9 倍），展現(xiàn)了工業(yè)廢棄物資源化利用 的 潛力。 此外，該 生物被膜的環(huán)境耐受性優(yōu)異，反應(yīng) 6 小時(shí)后細(xì)胞活性 仍 保持 95% ，且復(fù)合涂層可循環(huán)使用，經(jīng) 4 次循環(huán) 后 仍保持 64.2% 的 初始活性。

為模擬天然光合作用的長鏈合成能力，實(shí)現(xiàn)碳鏈延長，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了人工微生物群落：選擇需鈉弧菌 （ Vibrio natriegens ） 作為底盤，通過基因敲除耦聯(lián)絲氨酸循環(huán)與三羧酸循環(huán)，強(qiáng)化甲酸 耐受能力 ；經(jīng) 5 輪適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化（ adaptive laboratory evolution ， ALE ）后，通過四氫葉酸（ THF ）循環(huán)增強(qiáng) 甲酸同化能力， 使該 菌株 最終 獲得利用甲酸鹽合成丁二酸的能力。適應(yīng)性進(jìn)化的 需鈉弧菌消耗甲酸的 速度更快， 12 小時(shí)內(nèi) 產(chǎn)生了濃度為 33 mg/L 的琥珀酸 ，而野生型菌株則 無法實(shí)現(xiàn) 。

鑒于兩種菌株均為革蘭氏陰性菌，且培養(yǎng)條件兼容，因此這兩株工程改造的菌株可以用于構(gòu)建人工微生物群落 ： 工程大腸桿菌生物被膜合成甲酸，適應(yīng)性進(jìn)化的需鈉弧菌利用甲酸合成丁二酸，實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到丁二酸的級聯(lián)生物催化生產(chǎn)。該復(fù)合體系 6 小時(shí)丁二酸產(chǎn)量達(dá) 0.068 mM ， 450 nm 下表觀量子產(chǎn)率 為 0.154% 。 13C 標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證實(shí)丁二酸中 20.01% 的碳源自 CO? ， 證實(shí) 了 無機(jī)二氧化碳碳源到多碳產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。 再者， 光催化 24 小時(shí)后 ， 兩種微生物仍存活，需鈉弧菌存活率較單獨(dú)培養(yǎng)提升 11% ，驗(yàn)證了共生系統(tǒng)通過甲酸鹽供給維持微生物活性的能力。

本研究通過合成生物學(xué)改造、人工微生物群落設(shè)計(jì)與光催化劑合成的交叉創(chuàng)新，首次實(shí)現(xiàn)了以 CO? 和 H?O 為原料光驅(qū)動(dòng)合成 C4 長鏈分子丁二酸，為綠色化學(xué)品合成開辟了新路徑，拓展了活體功能材料的研究前沿，推動(dòng)了可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。然而，體系仍面臨挑戰(zhàn)：異養(yǎng)微生物群落的代謝活性維持需進(jìn)一步優(yōu)化，光能轉(zhuǎn)化效率需通過界面設(shè)計(jì)繼續(xù)提升。本成果揭示了人工光合作用的新機(jī)制，為實(shí)現(xiàn) “ 雙碳 ” 目標(biāo)提供了創(chuàng)新技術(shù)方案。

本研究 由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 合成生物學(xué)研究所鐘超研究員、王新宇副研究員、高翔研究員與上海科技大學(xué)馬貴軍教授共同通訊 完成 。深圳先進(jìn)院王新宇全面主導(dǎo)整體項(xiàng)目設(shè)計(jì)與團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？蒲兄硇旌Ｗg（現(xiàn)德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)博士生）與助理研究員張繼聰為共同第一作者，深圳先進(jìn)院為第一完成單位。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c16572

制版人：十一

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