JACS | 深圳先進院構建光催化劑-人工微生物群落雜合體驅動固碳高值化學品生物合成
自然界中,植物靠光合作用,把二氧化碳和水轉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)。我們如果能解析、模擬并重構這個過程,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鍵技術。在當前“雙碳”目標持續(xù)推進的背景下,如何高效地把太陽能轉化為化學能,實現(xiàn)二氧化碳向高附加值化學品的定向轉化,已成為人工光合作用與綠色制造領域的前沿科學挑戰(zhàn)。
當前,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材料高效光能捕獲轉化能力與生物體系高選擇性合成復雜產物的優(yōu)勢,成為新一代人工光合技術的重要發(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,既增加成本又導致產物純化復雜化;其二,受限于非生物C-C偶聯(lián)的動力學障礙及非模式自養(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為原料光驅動合成長鏈化學品,仍是該領域的一大挑戰(zhàn)。
針對此挑戰(zhàn),研究團隊創(chuàng)新提出“分工協(xié)作”新范式——將還原力產生、CO?固定與碳鏈延長分別交由不同功能模塊完成?;谶@一思路,中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室/合成生物學研究所鐘超課題組、高翔課題組聯(lián)合上??萍即髮W馬貴軍課題組,于近日在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)發(fā)表題為《Light-Driven C4 Biosynthesis from CO2 and H2O via Engineered Photocatalyst–Microbial Consortia》的論文。該研究構建了全解水光催化劑與工程微生物群落的雜合體系,實現(xiàn)了以CO?和H?O為唯一底物光驅動合成丁二酸,為可持續(xù)太陽能驅動的多碳產物合成建立了新平臺,拓展了活體功能材料在可持續(xù)能源領域的研究邊界。
研究團隊首先構建了Z-scheme光催化平臺:RuO?-Mo:BiVO?負責水氧化(模擬天然光系統(tǒng)II功能),Ru@CrOx-Rh:SrTiO?負責光電子生成與還原(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),證實了高效電荷分離特性。該體系無需犧牲劑即可驅動水氧化與電子轉移,為生物催化提供持續(xù)還原力。
進一步,團隊改造大腸桿菌生物被膜實現(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,在胞內表達甲酸脫氫酶(FDH)賦予CO?固定能力,利用光生電子驅動CO?還原生成甲酸。由此構建的光催化劑-生物被膜復合體系,模擬了天然光合作用的光能轉化路徑——光生電子高效傳遞至工程菌細胞內驅動甲酸合成,空穴則被水氧化消耗,形成無犧牲劑的完整光驅動反應循環(huán)。電化學測試表明,該雜化體系光照下瞬態(tài)光電流顯著優(yōu)于對照體系;電荷動力學分析顯示,生物膜引入后電子傳輸時間縮短,細胞內NADH/NAD?水平提升2.5倍,驗證了光電子成功參與代謝反應。
在CO?轉化性能方面,模擬太陽光照射6小時可生成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)物質能夠顯著增強其代謝活性。添加糖蜜副產物作為輔助碳源后,甲酸產量提升至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6小時后細胞活性仍保持95%,且復合涂層可循環(huán)使用,經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,實現(xiàn)碳鏈延長,研究團隊構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),強化甲酸耐受能力;經5輪適應性實驗室進化(adaptive laboratory evolution,ALE)后,通過四氫葉酸(THF)循環(huán)增強甲酸同化能力,使該菌株最終獲得利用甲酸鹽合成丁二酸的能力。適應性進化的需鈉弧菌消耗甲酸的速度更快,12小時內產生了濃度為33 mg/L的琥珀酸,而野生型菌株則無法實現(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建人工微生物群落:工程大腸桿菌生物被膜合成甲酸,適應性進化的需鈉弧菌利用甲酸合成丁二酸,實現(xiàn)從二氧化碳到丁二酸的級聯(lián)生物催化生產。該復合體系6小時丁二酸產量達0.068 mM,450 nm下表觀量子產率為0.154%。13C標記實驗證實丁二酸中20.01%的碳源自CO?,證實了無機二氧化碳碳源到多碳產物的轉化。再者,光催化24小時后,兩種微生物仍存活,需鈉弧菌存活率較單獨培養(yǎng)提升11%,驗證了共生系統(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改造、人工微生物群落設計與光催化劑合成的交叉創(chuàng)新,首次實現(xiàn)了以CO?和H?O為原料光驅動合成C4長鏈分子丁二酸,為綠色化學品合成開辟了新路徑,拓展了活體功能材料的研究前沿,推動了可持續(xù)發(fā)展進程。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一步優(yōu)化,光能轉化效率需通過界面設計繼續(xù)提升。本成果揭示了人工光合作用的新機制,為實現(xiàn)“雙碳”目標提供了創(chuàng)新技術方案。
本研究由中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室/合成生物學研究所鐘超研究員、王新宇副研究員、高翔研究員與上??萍即髮W馬貴軍教授共同通訊完成。深圳先進院王新宇全面主導整體項目設計與團隊協(xié)調,指導團隊成員進行實驗??蒲兄硇旌Wg(現(xiàn)德國開姆尼茨工業(yè)大學博士生)與助理研究員張繼聰為共同第一作者,深圳先進院為第一完成單位。研究獲國家重點研發(fā)計劃(應急項目)、國家自然科學基金、深圳市材料合成生物學重點實驗室、深圳市自然科學基金重點項目以及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等資助。

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圖1.光催化劑-微生物群落生物復合體系實現(xiàn)光驅二氧化碳固定生成琥珀酸
(a)天然光合作用;(b)人工生物復合體系

圖2.光催化劑-生物被膜生物雜合體系的制備與結構表征

圖3.生物雜合體系在二氧化碳轉化為甲酸鹽過程中的光催化性能

圖4.光催化劑-人工微生物群落生物雜合體系生產丁二酸的光催化性能
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