為人造光合作用構築“安全網”，深圳團隊研究登上《科學》子刊

讀創/深圳商報記者 袁斯茹 通訊員 趙梓杉

“萬物生長靠太陽”。近年來，科學家們開始模擬光合作用，用於生產製造。在這種“半人工光合作用”中，“細菌工廠”發揮著重要作用，但在人工光照下，會影響這座“工廠”的穩定發揮。

5月7日，中科院深圳先進院團隊在Science子刊《科學進展》上發表研究，利用合成生物學，為“細菌工廠”構築了一道“防護網”。深圳先進院合成生物學研究所、深圳合成生物學創新研究院副研究員王新宇和上海科技大學博士生張繼聰為文章共同第一作者，鍾超研究員為唯一通訊作者。

△論文上線截圖

生物被膜 為細胞構築“防護網”

光合作用是指植物或藻類吸收太陽光，將二氧化碳和水合成有機物，並釋放氧氣的過程。

參照這一原理，半人工光合作用同樣利用光能催化，生產燃料分子或各種化學品。其中，吸光材料和工程細菌是兩大得力“干將”，前者負責吸收並儲存太陽光中的能量，後者則利用這些能量進行生產。

“半導體材料因其優良的吸光效能，常作為半人工光合作用的吸光材料。然而這種材料在吸收太陽光能量的同時，也會在其周圍生成一種‘氧化空穴’，對細菌有很強的毒性，甚至會造成整個細胞破裂，‘細菌工廠’也就無法運轉。”王新宇說。

為此，團隊從減少半導體材料與細菌接觸的角度出發，進行設計與研究。他們發現大腸桿菌生物被膜有開發潛力。

改造“安全網”

要當好一張合格的“防護網”，大腸桿菌生物被膜還需要一番改造。於是，團隊利用合成生物學手段，對其主要成分進行了重新設計，使其能原位固定及負載半導體顆粒，從而形成一種牢固的生物材料+無機材料的相容介面。

在這種生物被膜的固定下，半導體材料就很難對細菌產生破壞，相當於在細菌工廠表面人為鋪上了一張防護網。

“就像人類幹活要吃飯，生物幹活也要吸收能量，半導體需要在吸收光能後透過‘安全網’傳給微生物細胞，才能使細胞更有動力去‘變身’。”王新宇說。

“在半人工光合作用這一新興領域，團隊透過合成生物學技術構建的大腸桿菌功能生物被膜，能起到‘安全網’的作用”。王新宇說道，透過表達具有礦化能力的胞外被膜蛋白，避免了高能半導體材料與細菌的直接接觸，從而大大降低了對工程菌的傷害。

△透射電子顯微鏡拍的大腸桿菌生物被膜照片

科學手段助力綠色製造

細菌生物被膜在自然界中普遍存在，由細菌及其分泌的胞外基質共同組成，這種天然的活體材料具有功能可程式設計、自我再生以及環境耐受等特點，因此在規模化光催化方面有較大的應用潛力。

研究人員透過工程改造的方式，使得構建的大腸桿菌生物被膜具備了礦化和固定二氧化碳的能力，成功構建了能實現光催化還原二氧化碳生成甲酸的半人工光合系統。

然而，在生物被膜半人工光合作用體系當中，研究人員僅僅引入了單一的酶，還無法實現高附加值經濟產物的生成。未來，研究團隊會繼續對微生物進行改造，構建二氧化碳到長鏈高附加值化學分子的合成通路，並對生物被膜的光催化反應體系進行中試發酵嘗試，驗證該成果體系的規模化生產能力。

（科研團隊供圖）

審讀：喻方華