透射电子显微镜下的大肠杆菌生物被膜
■本报记者 刁雯蕙 通讯员 赵梓杉
“万物生长靠太阳”。光合作用是指植物或藻类吸收太阳光，将二氧化碳和水合成有机物，并释放氧气的过程。
而近期科学领域非常“火爆”的半人工光合作用的原理与其十分类似，主要是通过人为方式模拟光合作用，利用光能催化生产燃料分子或各种有用化学品。半人工光合系统通常采用半导体作为吸光材料，但反应过程中吸光材料与生物细胞不兼容，往往导致光合作用效果较差、细胞难以循环使用等一系列问题。
5月7日发表在《科学进展》的一项最新研究表明，细菌生物被膜可提供一个理想界面，在微米尺度物理分隔半导体纳米材料和细菌，显著降低光照条件下半导体材料对细菌细胞膜的破坏，最终提高半人工光合作用体系的稳定性和可持续性。利用这一界面，研究人员实现了光驱二氧化碳的高效固定，为收获高附加值的能源和化学品提供了重要工具。
中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院研究员钟超课题组副研究员王新宇、上海科技大学博士生张继聪为文章共同第一作者，钟超为通讯作者。
改造大肠杆菌生物被膜
当前的半人工光合系统通常由吸光材料和工程细菌两部分构成，前者负责吸收并储存太阳光中的能量，后者则可以利用这些能量生产各种对人类有用的产品。因其优良的吸光性能，半导体材料常被作为半人工光合作用的吸光材料。
然而，在半导体材料吸收太阳光能量的同时，其周围也会生成一种“氧化空穴”，后者对细菌有很强的毒性。在反应过程中，光生“氧化空穴”会对细菌细胞造成破坏，甚至导致整个细胞破裂，严重影响“细菌工厂”正常运转。
那么，该如何解决这一问题呢？
在该研究中，研究团队从减少半导体材料与细菌接触的角度出发，进行了响应设计与研究。他们在半人工光合作用体系中改造大肠杆菌生物被膜，通过生物被膜的微生物原位矿化机制，构建了一种牢固的生物材料+无机材料兼容界面。
研究人员首先在基因层面对大肠杆菌生物被膜的主要成分——CsgA蛋白进行了重新设计，使其与具有矿化能力的短肽融合表达，从而原位固定并负载半导体颗粒。在生物被膜的固定下，半导体材料很难对细菌产生破坏，相当于在“细菌工厂”表面人为铺上一张“防护网”。
“在半人工光合作用这一新兴领域，团队通过合成生物学技术构建的大肠杆菌功能生物被膜，起到了‘防护网’的作用。”王新宇说，通过表达具有矿化能力的胞外被膜蛋白，高能半导体材料与细菌避免了直接接触，从而大大降低了对工程菌的伤害。
科学手段助力绿色制造
细菌生物被膜在自然界中普遍存在，由细菌及其分泌的胞外基质共同组成。这种天然的活体材料具有功能可编程、自我再生以及环境耐受等特点，在规模化光催化方面有较大应用潜力。
研究人员通过工程改造方式，使构建的大肠杆菌生物被膜具备了矿化和固定二氧化碳的能力，成功建立了实现光催化还原二氧化碳并生成甲酸的半人工光合系统。
然而，在生物被膜半人工光合作用体系中，研究人员仅引入单一的酶，还无法实现高附加值经济产物的生成。未来，研究团队将继续对微生物进行改造，构建从二氧化碳到长链高附加值化学分子的合成通路，并对生物被膜的光催化反应体系进行中试发酵尝试，验证该成果体系的规模化生产能力。
当前，在合成生物学领域，我国科学家取得了将二氧化碳转化为淀粉或葡萄糖的重大突破，然而，整个体系关键的第一步反应——二氧化碳固定仍是通过化学催化方法实现的，增加了反应体系的复杂性。该研究通过半人工光合体系的构建实现了全细胞的二氧化碳固定，未来有望通过全链条优化，实现基于全细胞体系的从二氧化碳到高附加值长链化合物的转化。
“我们利用合成生物技术工程改造细菌生物被膜，构建了一个全新的生物—无机兼容界面，并实现了从单酶到全细胞尺度上可循环利用的半人工光合作用体系，为未来可持续性半人工光合体系的开发提供了新思路，也展现了材料合成生物学技术在能源领域的广阔应用前景。”钟超表示。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abm7665
