JACS | 深圳先進(jìn)院構(gòu)建光催化劑-人工微生物群落雜合體驅(qū)動固碳高值化學(xué)品生物合成
自然界中,植物靠光合作用,把二氧化碳和水轉(zhuǎn)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?nèi)绻芙馕?、模擬并重構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)。在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)持續(xù)推進(jìn)的背景下,如何高效地把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,實現(xiàn)二氧化碳向高附加值化學(xué)品的定向轉(zhuǎn)化,已成為人工光合作用與綠色制造領(lǐng)域的前沿科學(xué)挑戰(zhàn)。
當(dāng)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(jī)材料高效光能捕獲轉(zhuǎn)化能力與生物體系高選擇性合成復(fù)雜產(chǎn)物的優(yōu)勢,成為新一代人工光合技術(shù)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(dǎo)致產(chǎn)物純化復(fù)雜化;其二,受限于非生物C-C偶聯(lián)的動力學(xué)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(chǎn)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(qū)動合成長鏈化學(xué)品,仍是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。
針對此挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊創(chuàng)新提出“分工協(xié)作”新范式——將還原力產(chǎn)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(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室/合成生物學(xué)研究所鐘超課題組、高翔課題組聯(lián)合上??萍即髮W(xué)馬貴軍課題組,于近日在《美國化學(xué)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(gòu)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(qū)動合成丁二酸,為可持續(xù)太陽能驅(qū)動的多碳產(chǎn)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(lǐng)域的研究邊界。
研究團(tuán)隊首先構(gòu)建了Z-scheme光催化平臺:RuO?-Mo:BiVO?負(fù)責(zé)水氧化(模擬天然光系統(tǒng)II功能),Ru@CrOx-Rh:SrTiO?負(fù)責(zé)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(qū)動水氧化與電子轉(zhuǎn)移,為生物催化提供持續(xù)還原力。
進(jìn)一步,團(tuán)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(nèi)表達(dá)甲酸脫氫酶(FDH)賦予CO?固定能力,利用光生電子驅(qū)動CO?還原生成甲酸。由此構(gòu)建的光催化劑-生物被膜復(fù)合體系,模擬了天然光合作用的光能轉(zhuǎn)化路徑——光生電子高效傳遞至工程菌細(xì)胞內(nèi)驅(qū)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(qū)動反應(yīng)循環(huán)。電化學(xué)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(xué)分析顯示,生物膜引入后電子傳輸時間縮短,細(xì)胞內(nèi)NADH/NAD?水平提升2.5倍,驗證了光電子成功參與代謝反應(yīng)。
在CO?轉(zhuǎn)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(zhì)能夠顯著增強(qiáng)其代謝活性。添加糖蜜副產(chǎn)物作為輔助碳源后,甲酸產(chǎn)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(yīng)6小時后細(xì)胞活性仍保持95%,且復(fù)合涂層可循環(huán)使用,經(jīng)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(tuán)隊構(gòu)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(qiáng)化甲酸耐受能力;經(jīng)5輪適應(yīng)性實驗室進(jìn)化(adaptive laboratory evolution,ALE)后,通過四氫葉酸(THF)循環(huán)增強(qiáng)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(yīng)性進(jìn)化的需鈉弧菌消耗甲酸的速度更快,12小時內(nèi)產(chǎn)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(gòu)建人工微生物群落:工程大腸桿菌生物被膜合成甲酸,適應(yīng)性進(jìn)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(chǎn)。該復(fù)合體系6小時丁二酸產(chǎn)量達(dá)0.068 mM,450 nm下表觀量子產(chǎn)率為0.154%。13C標(biāo)記實驗證實丁二酸中20.01%的碳源自CO?,證實了無機(jī)二氧化碳碳源到多碳產(chǎn)物的轉(zhuǎn)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(xué)改造、人工微生物群落設(shè)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(qū)動合成C4長鏈分子丁二酸,為綠色化學(xué)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(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化,光能轉(zhuǎn)化效率需通過界面設(shè)計繼續(xù)提升。本成果揭示了人工光合作用的新機(jī)制,為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了創(chuàng)新技術(shù)方案。
本研究由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室/合成生物學(xué)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(xué)馬貴軍教授共同通訊完成。深圳先進(jìn)院王新宇全面主導(dǎo)整體項目設(shè)計與團(tuán)隊協(xié)調(diào),指導(dǎo)團(tuán)隊成員進(jìn)行實驗??蒲兄硇旌Wg(現(xiàn)德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)博士生)與助理研究員張繼聰為共同第一作者,深圳先進(jìn)院為第一完成單位。研究獲國家重點研發(fā)計劃(應(yīng)急項目)、國家自然科學(xué)基金、深圳市材料合成生物學(xué)重點實驗室、深圳市自然科學(xué)基金重點項目以及深圳合成生物學(xué)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(fù)合體系實現(xiàn)光驅(qū)二氧化碳固定生成琥珀酸
(a)天然光合作用;(b)人工生物復(fù)合體系

圖2.光催化劑-生物被膜生物雜合體系的制備與結(jié)構(gòu)表征

圖3.生物雜合體系在二氧化碳轉(zhuǎn)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(chǎn)丁二酸的光催化性能
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