太陽(yáng)能是典型的清潔能源，開(kāi)發(fā)光能驅動(dòng)的高價(jià)值化學(xué)品綠色合成途徑，有助于促進(jìn)社會(huì )可持續發(fā)展。半導體-微生物雜合體系（半人工光合系統）兼具半導體廣譜光吸收特性和微生物催化高選擇性等優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現將太陽(yáng)能高效轉化為多種化學(xué)能形式，近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注。目前研究人員普遍使用CdS、TiO2、量子點(diǎn)等半導體材料與微生物進(jìn)行結合，但仍存在構建體系過(guò)程復雜、生物相容性較差、電荷傳輸效率低等缺陷，且材料-生物雜合界面的電子傳遞機理仍不清晰，需進(jìn)一步探索以豐富其理論發(fā)展。近年來(lái)，卟啉基金屬有機框架（Metal-Organic Framework, MOF）因其催化活性高、結構可調成為了重點(diǎn)研究對象，但是與其他半導體材料相比，其在半人工光合系統中作為捕光模塊的應用仍較少，值得進(jìn)一步探索研究。
2024年4月25日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所王博團隊與廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院侯燕萍團隊在A(yíng)dvanced Science 雜志合作發(fā)表了題為A Self-Assembled MOF-Escherichia Coli Hybrid System for Light-Driven Fuels and Valuable Chemicals Synthesis的研究成果。該工作構建了金屬有機框架（PCN-222）與大腸桿菌自組裝雜合體。在光能驅動(dòng)下，基于野生型大腸桿菌構建的雜合體產(chǎn)氫量為純菌組的2.9倍，基于工程大腸桿菌構建的雜合體賴(lài)氨酸產(chǎn)量為純菌組的4.3倍，實(shí)現了光能驅動(dòng)合成氫氣及高價(jià)值化學(xué)品。作者研究了材料-生物界面的電子轉移機制，通過(guò)光電化學(xué)測試證明雜合體可以高效捕光且將光生電子轉移至生物體內，最后闡述了PCN-222-大腸桿菌光驅產(chǎn)化學(xué)品的相關(guān)機理。這項工作為基于大腸桿菌的半人工光合系統進(jìn)行光驅動(dòng)生物合成的研究奠定了重要基礎。
文章上線(xiàn)截圖
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202308597
圖1. 金屬有機框架PCN-222-大腸桿菌雜合體的各項表征
近年來(lái)基于鋯氧簇構建的MOF材料被廣泛應用于光催化研究領(lǐng)域。由于含有卟啉或金屬卟啉的MOF材料具有較高的光捕獲效率和催化活性，作者首先合成了帶正電的鋯基卟啉金屬有機框架PCN-222并對其物理結構進(jìn)行了相關(guān)表征測試。通過(guò)對雜合體的表面形貌進(jìn)行電鏡觀(guān)察，通過(guò)表面電位分析、紅外光譜測試，吸收光譜測試，發(fā)現通過(guò)靜電吸附作用及共價(jià)作用成功構建了PCN-222與帶負電的大腸桿菌雜合體。
圖2. 金屬有機框架PCN-222-大腸桿菌雜合體光驅產(chǎn)氫及合成高價(jià)值化學(xué)品
為了驗證PCN-222可以作為大腸桿菌的電子供體，作者首先利用具備產(chǎn)氫能力的野生型大腸桿菌MG 1655與PCN-222結合構建雜合體。該體系實(shí)現了在光照下高效產(chǎn)氫，驗證了可見(jiàn)光照射下PCN-222對大腸桿菌胞內能量供應有較好的促進(jìn)作用。隨后通過(guò)基因工程改造，在大腸桿菌中過(guò)表達了賴(lài)氨酸合成途徑，研究雜合體在黑暗及光照下的賴(lài)氨酸合成性能，并分別通過(guò)時(shí)間梯度、材料與大腸桿菌雜合的時(shí)間點(diǎn)、材料的濃度、光照強度四個(gè)維度對PCN-222-大腸桿菌雜合體系光驅產(chǎn)賴(lài)氨酸性能進(jìn)行了優(yōu)化。
圖3. 材料-微生物界面電子轉移相關(guān)機制
在明確了光驅動(dòng)賴(lài)氨酸生產(chǎn)的最佳條件后，作者重點(diǎn)闡明了該雜合體中的材料-微生物界面的電子轉移機制。通過(guò)對純菌和雜合體的光電化學(xué)特性進(jìn)行測試發(fā)現，雜合體具有高效捕光且將電子轉移至生物體內的能力。為了進(jìn)一步證實(shí)PCN-222能有效地將捕獲的光能轉移到大腸桿菌中，作者采用光致發(fā)光光譜技術(shù)（PL）研究了材料-微生物界面上的電子轉移。在大腸桿菌細胞內未檢測到明顯的熒光信號，而雜合體的PL強度明顯低于PCN-222。這一結果表明，在雜合體中PCN-222作為電子供體，而大腸桿菌作為電子受體，有效地降低了PCN-222的電子-空穴重組率。隨后利用時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）動(dòng)態(tài)地揭示了光反應過(guò)程中的界面電子轉移。發(fā)現雜合體熒光壽命較PCN-222有所縮短，表明PCN-222產(chǎn)生的光生電子可以快速轉移至大腸桿菌，與PL的測試結果一致。
圖4. 雜合體光驅動(dòng)合成氫氣及高價(jià)值化學(xué)品的相關(guān)機制
據報道，大腸桿菌分泌的內源性氧化還原物質(zhì)可以作為電子轉移的介質(zhì)，從而增強了界面電子傳輸速率。因此，本文推斷氧化還原介質(zhì)可能有助于細菌進(jìn)行光電子跨膜傳遞。對反應后雜合體的上清液進(jìn)行高效液相色譜（HPLC）及差分脈沖伏安法（DPV）分析發(fā)現，電子可以通過(guò)小分子有機酸及核黃素等氧化還原物質(zhì)傳遞至胞內。結合PCN-222在生物產(chǎn)氫中的作用及雜合體界面電子傳遞的研究結果，本文提出了PCN-222-大腸桿菌雜合體光驅產(chǎn)氫及高價(jià)值化學(xué)品的機理機制，如圖4-d所示。由于靜電相互作用，表面帶正電的PCN-222與帶負電的大腸桿菌自組裝成半人工光合系統。在適度的可見(jiàn)光照射下具有優(yōu)異捕光性能的PCN-222會(huì )產(chǎn)生大量的光生電子，通過(guò)氧化還原介質(zhì)傳輸到大腸桿菌體內。在電子轉移方面，PCN-222產(chǎn)生的光生電子可以刺激內源性核黃素的分泌，幫助電子進(jìn)行跨膜傳遞。同時(shí)，部分小分子有機酸可以作為PCN-222的空穴清除劑，促進(jìn)電子遷移。因此，在光照下大腸桿菌獲得的這些光生電子提高了胞內的還原力水平，導致過(guò)量的還原力轉化為氫氣并促進(jìn)賴(lài)氨酸合成，從而實(shí)現了高效光驅動(dòng)合成氫氣及賴(lài)氨酸。
該研究得到了科技部合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)專(zhuān)項和深圳合成生物學(xué)創(chuàng )新研究院的經(jīng)費支持。
PI與課題組簡(jiǎn)介：
王博，副研究員，博士生導師，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃青年首席科學(xué)家，中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )成員。團隊研究領(lǐng)域為材料合成生物學(xué)，實(shí)驗室主要方向：設計和構建半導體材料與微生物細胞工廠(chǎng)的人工雜合體系，實(shí)現光能驅動(dòng)目標化學(xué)品合成，并解析材料-細胞界面電子傳遞機制和細胞內能量轉化機理。近年來(lái)以第一作者和通訊作者（含共同）在A(yíng)dvanced Science, Angewandte, Advanced Energy Materials, Energy & Environmental Science, Nano Energy等發(fā)表文章20篇。長(cháng)期招收相關(guān)方向的博士后和聯(lián)合培養的博士生，歡迎聯(lián)系：bo.wang@siat.ac.cn。