Advanced Science | 王博團(tuán)隊(duì) 自組裝構(gòu)建金屬有機(jī)框架-大腸桿菌人工雜合體實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)合成燃料及高價(jià)值化學(xué)品
太陽能是典型的清潔能源,開發(fā)光能驅(qū)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(xù)發(fā)展。半導(dǎo)體-微生物雜合體系(半人工光合系統(tǒng))兼具半導(dǎo)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(xiàn)將太陽能高效轉(zhuǎn)化為多種化學(xué)能形式,近年來引起了廣泛關(guān)注。目前研究人員普遍使用CdS、TiO2、量子點(diǎn)等半導(dǎo)體材料與微生物進(jìn)行結(jié)合,但仍存在構(gòu)建體系過程復(fù)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(jī)理仍不清晰,需進(jìn)一步探索以豐富其理論發(fā)展。近年來,卟啉基金屬有機(jī)框架(Metal-Organic Framework,MOF)因其催化活性高、結(jié)構(gòu)可調(diào)成為了重點(diǎn)研究對象,但是與其他半導(dǎo)體材料相比,其在半人工光合系統(tǒng)中作為捕光模塊的應(yīng)用仍較少,值得進(jìn)一步探索研究。
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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(tuán)隊(duì)與廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院侯燕萍團(tuán)隊(duì)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(gòu)建了金屬有機(jī)框架(PCN-222)與大腸桿菌自組裝雜合體。在光能驅(qū)動(dòng)下,基于野生型大腸桿菌構(gòu)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(gòu)建的雜合體賴氨酸產(chǎn)量為純菌組的4.3倍,實(shí)現(xiàn)了光能驅(qū)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(zhuǎn)移機(jī)制,通過光電化學(xué)測試證明雜合體可以高效捕光且將光生電子轉(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(xué)品的相關(guān)機(jī)理。這項(xiàng)工作為基于大腸桿菌的半人工光合系統(tǒng)進(jìn)行光驅(qū)動(dòng)生物合成的研究奠定了重要基礎(chǔ)。
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原文鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202308597
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圖1. 金屬有機(jī)框架PCN-222-大腸桿菌雜合體的各項(xiàng)表征
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近年來基于鋯氧簇構(gòu)建的MOF材料被廣泛應(yīng)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(jī)框架PCN-222并對其物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)表征測試。通過對雜合體的表面形貌進(jìn)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(jià)作用成功構(gòu)建了PCN-222與帶負(fù)電的大腸桿菌雜合體。
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圖2. 金屬有機(jī)框架PCN-222-大腸桿菌雜合體光驅(qū)產(chǎn)氫及合成高價(jià)值化學(xué)品
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為了驗(yàn)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(gòu)建雜合體。該體系實(shí)現(xiàn)了在光照下高效產(chǎn)氫,驗(yàn)證了可見光照射下PCN-222對大腸桿菌胞內(nèi)能量供應(yīng)有較好的促進(jìn)作用。隨后通過基因工程改造,在大腸桿菌中過表達(dá)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(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(qiáng)度四個(gè)維度對PCN-222-大腸桿菌雜合體系光驅(qū)產(chǎn)賴氨酸性能進(jìn)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(guān)機(jī)制
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在明確了光驅(qū)動(dòng)賴氨酸生產(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(zhuǎn)移機(jī)制。通過對純菌和雜合體的光電化學(xué)特性進(jìn)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(jìn)一步證實(shí)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(shù)(PL)研究了材料-微生物界面上的電子轉(zhuǎn)移。在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)未檢測到明顯的熒光信號(hào),而雜合體的PL強(qiáng)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(shí)間分辨光致發(fā)光光譜(TRPL)動(dòng)態(tài)地揭示了光反應(yīng)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(dòng)合成氫氣及高價(jià)值化學(xué)品的相關(guān)機(jī)制
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據(jù)報(bào)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(qiáng)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(xì)菌進(jìn)行光電子跨膜傳遞。對反應(yīng)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(xiàn),電子可以通過小分子有機(jī)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(jià)值化學(xué)品的機(jī)理機(jī)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(fù)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(huì)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(jìn)行跨膜傳遞。同時(shí),部分小分子有機(jī)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(nèi)的還原力水平,導(dǎo)致過量的還原力轉(zhuǎn)化為氫氣并促進(jìn)賴氨酸合成,從而實(shí)現(xiàn)了高效光驅(qū)動(dòng)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(xué)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)專項(xiàng)和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的經(jīng)費(fèi)支持。
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PI與課題組簡介:
王博,副研究員,博士生導(dǎo)師,國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(tuán)隊(duì)研究領(lǐng)域?yàn)椴牧虾铣缮飳W(xué),實(shí)驗(yàn)室主要方向:設(shè)計(jì)和構(gòu)建半導(dǎo)體材料與微生物細(xì)胞工廠的人工雜合體系,實(shí)現(xiàn)光能驅(qū)動(dòng)目標(biāo)化學(xué)品合成,并解析材料-細(xì)胞界面電子傳遞機(jī)制和細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)化機(jī)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(guān)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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