中國(guó)科學(xué)家利用細(xì)菌生物被膜開(kāi)發(fā)可持續(xù)半人工光合體系

圖：光催化劑礦化活體生物被膜構(gòu)建半人工光合作用體系示意圖

隨著全球能源和環(huán)境問(wèn)題的不斷加劇，可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)，特別是太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化利用吸引了全球研究人員的關(guān)注。植物或藻類通過(guò)光合作用利用光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。近年來(lái)誕生的半人工光合作用原理與其類似，結(jié)合了生物體系的高產(chǎn)物選擇性和半導(dǎo)材料的優(yōu)異吸光性，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的燃料分子和各種有用化學(xué)品生產(chǎn)。

半人工光合作用系統(tǒng)中通常采用半導(dǎo)體作為吸光材料，然而在反應(yīng)過(guò)程中存在吸光材料與生物細(xì)胞不兼容，導(dǎo)致反應(yīng)體系穩(wěn)定性差、光能利用效率差、細(xì)胞難以再生循環(huán)等一系列問(wèn)題。因此，如何構(gòu)建牢固、友好的生物-半導(dǎo)兼容界面一直是該領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)之一。

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院科研團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上發(fā)表題為“Photocatalyst-mineralized biofilms as living bio-abiotic interfaces for single enzyme to whole-cell photocatalytic applications”的研究論文，利用工程改造的大腸桿菌生物被膜原位礦化作用，構(gòu)建了全新的生物-半導(dǎo)體兼容界面，并基于此實(shí)現(xiàn)了從單酶到全細(xì)胞尺度上可循環(huán)光催化反應(yīng)。

研究人員首先對(duì)大腸桿菌菌毛蛋白亞基（CsgA）進(jìn)行了合成生物學(xué)改造，將礦化短肽A7和CsgA蛋白融合表達(dá)并分泌，賦予生物被膜原位礦化的能力。如圖所示，在生物被膜表面原位礦化硫化鎘納米顆粒（CdS納米顆粒），獲得了光催化劑礦化的生物被膜。進(jìn)一步光電性質(zhì)表征和光照對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，利用生物被膜礦化的CdS保持著半導(dǎo)特性，同時(shí)通過(guò)生物被膜使半導(dǎo)材料和細(xì)胞發(fā)生物理隔離，可以起到保護(hù)細(xì)胞的作用。

該研究展示了無(wú)機(jī)材料和生物體系的無(wú)縫整合，未來(lái)通過(guò)進(jìn)一步改造微生物的代謝通路，可以實(shí)現(xiàn)高附加值經(jīng)濟(jì)化學(xué)分子的生成。由于微生物體系具備自我再生的能力，同時(shí)生物被膜體系易于放大生產(chǎn)，因此，該方法有望為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的規(guī)?；獯呋瘧?yīng)用提供新的思路。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7665

注：此研究成果摘自《Science Advances》雜志，文章內(nèi)容不代表本網(wǎng)站觀點(diǎn)和立場(chǎng)，僅供參考。

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