Advanced Science | 王博團隊 自組裝構建金屬有機框架-大腸桿菌人工雜合體實現(xiàn)光驅(qū)動合成燃料及高價值化學品
太陽能是典型的清潔能源,開發(fā)光能驅(qū)動的高價值化學品綠色合成途徑,有助于促進社會可持續(xù)發(fā)展。半導體-微生物雜合體系(半人工光合系統(tǒng))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,有望實現(xiàn)將太陽能高效轉(zhuǎn)化為多種化學能形式,近年來引起了廣泛關注。目前研究人員普遍使用CdS、TiO2、量子點等半導體材料與微生物進行結(jié)合,但仍存在構建體系過程復雜、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,需進一步探索以豐富其理論發(fā)展。近年來,卟啉基金屬有機框架(Metal-Organic Framework,MOF)因其催化活性高、結(jié)構可調(diào)成為了重點研究對象,但是與其他半導體材料相比,其在半人工光合系統(tǒng)中作為捕光模塊的應用仍較少,值得進一步探索研究。
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2024年4月25日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所王博團隊與廣西大學資源環(huán)境與材料學院侯燕萍團隊在Advanced 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(qū)動下,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氨酸產(chǎn)量為純菌組的4.3倍,實現(xiàn)了光能驅(qū)動合成氫氣及高價值化學品。作者研究了材料-生物界面的電子轉(zhuǎn)移機制,通過光電化學測試證明雜合體可以高效捕光且將光生電子轉(zhuǎn)移至生物體內(nèi),最后闡述了PCN-222-大腸桿菌光驅(qū)產(chǎn)化學品的相關機理。這項工作為基于大腸桿菌的半人工光合系統(tǒng)進行光驅(qū)動生物合成的研究奠定了重要基礎。
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文章上線截圖
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202308597
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圖1. 金屬有機框架PCN-222-大腸桿菌雜合體的各項表征
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近年來基于鋯氧簇構建的MOF材料被廣泛應用于光催化研究領域。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(jié)構進行了相關表征測試。通過對雜合體的表面形貌進行電鏡觀察,通過表面電位分析、紅外光譜測試,吸收光譜測試,發(fā)現(xiàn)通過靜電吸附作用及共價作用成功構建了PCN-222與帶負電的大腸桿菌雜合體。
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圖2. 金屬有機框架PCN-222-大腸桿菌雜合體光驅(qū)產(chǎn)氫及合成高價值化學品
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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(jié)合構建雜合體。該體系實現(xiàn)了在光照下高效產(chǎn)氫,驗證了可見光照射下PCN-222對大腸桿菌胞內(nèi)能量供應有較好的促進作用。隨后通過基因工程改造,在大腸桿菌中過表達了賴氨酸合成途徑,研究雜合體在黑暗及光照下的賴氨酸合成性能,并分別通過時間梯度、材料與大腸桿菌雜合的時間點、材料的濃度、光照強度四個維度對PCN-222-大腸桿菌雜合體系光驅(qū)產(chǎn)賴氨酸性能進行了優(yōu)化。
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圖3.?材料-微生物界面電子轉(zhuǎn)移相關機制
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在明確了光驅(qū)動賴氨酸生產(chǎn)的最佳條件后,作者重點闡明了該雜合體中的材料-微生物界面的電子轉(zhuǎn)移機制。通過對純菌和雜合體的光電化學特性進行測試發(fā)現(xiàn),雜合體具有高效捕光且將電子轉(zhuǎn)移至生物體內(nèi)的能力。為了進一步證實PCN-222能有效地將捕獲的光能轉(zhuǎn)移到大腸桿菌中,作者采用光致發(fā)光光譜技術(PL)研究了材料-微生物界面上的電子轉(zhuǎn)移。在大腸桿菌細胞內(nèi)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(jié)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。隨后利用時間分辨光致發(fā)光光譜(TRPL)動態(tài)地揭示了光反應過程中的界面電子轉(zhuǎn)移。發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)移至大腸桿菌,與PL的測試結(jié)果一致。
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圖4.?雜合體光驅(qū)動合成氫氣及高價值化學品的相關機制
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據(jù)報道,大腸桿菌分泌的內(nèi)源性氧化還原物質(zhì)可以作為電子轉(zhuǎn)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)可能有助于細菌進行光電子跨膜傳遞。對反應后雜合體的上清液進行高效液相色譜(HPLC)及差分脈沖伏安法(DPV)分析發(fā)現(xiàn),電子可以通過小分子有機酸及核黃素等氧化還原物質(zhì)傳遞至胞內(nèi)。結(jié)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(jié)果,本文提出了PCN-222-大腸桿菌雜合體光驅(qū)產(chǎn)氫及高價值化學品的機理機制,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(tǒng)。在適度的可見光照射下具有優(yōu)異捕光性能的PCN-222會產(chǎn)生大量的光生電子,通過氧化還原介質(zhì)傳輸?shù)酱竽c桿菌體內(nèi)。在電子轉(zhuǎn)移方面,PCN-222產(chǎn)生的光生電子可以刺激內(nèi)源性核黃素的分泌,幫助電子進行跨膜傳遞。同時,部分小分子有機酸可以作為PCN-222的空穴清除劑,促進電子遷移。因此,在光照下大腸桿菌獲得的這些光生電子提高了胞內(nèi)的還原力水平,導致過量的還原力轉(zhuǎn)化為氫氣并促進賴氨酸合成,從而實現(xiàn)了高效光驅(qū)動合成氫氣及賴氨酸。
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該研究得到了科技部合成生物學重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發(fā)專項和深圳合成生物學創(chuàng)新研究院的經(jīng)費支持。
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PI與課題組簡介:
王博,副研究員,博士生導師,國家重點研發(fā)計劃青年首席科學家,中國科學院青年創(chuàng)新促進會成員。團隊研究領域為材料合成生物學,實驗室主要方向:設計和構建半導體材料與微生物細胞工廠的人工雜合體系,實現(xiàn)光能驅(qū)動目標化學品合成,并解析材料-細胞界面電子傳遞機制和細胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)化機理。近年來以第一作者和通訊作者(含共同)在Advanced Science,Angewandte,Advanced Energy Materials,Energy & Environmental Science,Nano Energy等發(fā)表文章20篇。長期招收相關方向的博士后和聯(lián)合培養(yǎng)的博士生,歡迎聯(lián)系:bo.wang@siat.ac.cn。
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