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  • 科研進展

    Science Advances |利用細菌生物被膜開發可持續性半人工光合體系

    發布時間:2022-05-07 來源:深圳先進技術研究院

      北京時間5月7日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所、深圳合成生物學創新研究院鐘超課題組在Science子刊 - Science Advances上發表題為“Photocatalyst-mineralized biofilms as living bio-abiotic interfaces for single enzyme to whole-cell photocatalytic applications的研究論文。該研究利用工程改造的大腸桿菌生物被膜原位礦化作用,構建了一個全新的生物-半導體兼容界面,并基于此實現了從單酶到全細胞尺度上可循環光催化反應,為可持續半人工光合體系的構建提供了一種新的思路。鐘超課題組副研究員王新宇上??萍即髮W博士生張繼聰為文章共同第一作者,鐘超研究員為唯一通訊作者。 

    論文上線截圖

    文章鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7665

        

      隨著全球能源和環境問題的不斷加劇,可再生清潔能源的開發,特別是太陽能的轉化利用吸引了全球研究人員的關注。半人工光合作用是近年來誕生的新興研究領域,結合生物體系的高產物選擇性和半導材料的優異吸光性,能夠實現太陽能驅動的燃料分子和化學品生產(例如利用光能驅動二氧化碳固定生成化學分子)。為在微納尺度實現細菌和半導體材料的界面整合,當前通常的方法是將半導體納米材料固定在細菌的外膜表面或通過細菌內吞作用實現半導體材料和胞內酶的接觸。然而由于細胞和半導體材料直接接觸,光照下半導體材料的光生空穴對細胞將造成永久性損,從而嚴重影響反應體系的穩定性和可循環利用性。因此,如何構建牢固、友好的生物-半導兼容界面一直是該領域的重要挑戰之一。 

      細菌生物被膜在自然界中普遍存在,由細菌及其分泌的胞外基質共同組成。大腸桿菌生物被膜具有自再生、自適應以及環境耐受等優點,其生物被膜的蛋白成分主要由淀粉樣蛋白curli纖維組成,易于基因工程改造?;诩毦锉荒?,課題組前期開發了智能活膠水和光控梯度活體功能材料等多種活材料并實現了包含生物催化和生物修復等領域的應用。 

      基于生物被膜的可工程改造以及環境耐受等特性,課題組在本項目中提出利用大腸桿菌生物被膜構建生物-半導體界面,將半導體納米材料和細菌進行物理分隔,從而避免半導體材料和細胞的直接接觸并降低半導體材料對細胞的損害,最終發展一種具有可持續性特征的半人工光合作用體系。 

      在具體的研究當中,研究人員首先對CsgA進行了合成生物學改造,將礦化短肽A7和CsgA蛋白融合表達并分泌,賦予生物被膜原位礦化的能力。如圖1所示,通過在生物被膜表面原位礦化CdS納米顆粒,獲得了光催化劑礦化的生物被膜。結合純化的異亮氨酸脫氫酶或胞內表達的甲酸脫氫酶,可以實現從單酶到全細胞的光催化反應體系。 

    1:光催化劑礦化活體生物被膜構建半人工光合作用體系示意圖

      通過透射電鏡高分辨元素成像,可以看出納米顆粒的元素組成確實包括Cd元素和S元素(圖2)。進一步對該材料的光電性質表征后發現,利用生物被膜礦化的CdS保持著半導特性,并且光生電子可以傳遞到電極或者電子傳遞介質甲基紫精。為了驗證生物被膜對細胞的保護作用,研究人員構建了表面展示礦化肽段的對照菌株。在同樣的條件進行礦化后進行光照,如圖3所示,表面展示礦化的菌株存活率更低,大部分菌株已經發生了破裂;而含有生物被膜的菌株大部分都存活并保持著完整的形貌,研究表明通過生物被膜使半導材料和細胞發生物理隔離,確實可以起到保護細胞的作用。 

    2:光催化劑礦化活體生物被膜的高分辨表征

    3:生物被膜對細胞的保護作用

      研究人員還發現,在光照條件下,礦化生物被膜可以實現重要輔酶NADH的再生。通過異亮氨酸脫氫酶(LDH)的加入,就可以利用光能將三甲基丙酮酸還原,選擇性的生成L-異亮氨酸。研究人員進一步通過工程改造,實現了大腸桿菌同時表達生物被膜和甲酸脫氫酶,使工程大腸桿菌具備礦化和固定二氧化碳的能力。利用碳酸氫鈉作為二氧化碳的來源,成功實現了光催化還原二氧化碳生成甲酸的概念驗證(圖4)。與化學合成的CdS納米顆粒相比,礦化的CdS表現出了更優異的催化效率??赡艿脑蚴且驗榛瘜W合成的納米顆粒需要配體來穩定,從而阻礙了活性位點的暴露。 

    4:光催化還原二氧化碳生成甲酸

      與漂浮的細胞相比,細菌生物被膜擁有更大的表面積、更強的環境耐受性和更方便、靈活的功能修飾,是搭建半人工光合作用體系的優異底盤。本研究展示了無機材料和生物體系的無縫整合,可以保護細胞免受高能半導材料的損害。未來通過進一步改造微生物的代謝通路,可以實現高附加值經濟化學分子的生成。由于微生物體系具備自我再生的能力同時生物被膜體系易于放大生產,因此,該方法為未來實現可持續的規?;獯呋瘧锰峁┝诵碌姆较?。 

      該研究得到國家科技部重點研發計劃、國家杰出青年基金、深圳合成生物學創新研究院等多個項目支持。 

        

      PI與課題組簡介: 

      鐘超,研究員,博導,中國科學院深圳先進院合成生物學研究所所長助理、材料合成生物學研究中心主任。獲得國家杰出青年基金、國家自然科學基金大科學裝置聯合基金等重大科研項目,任國家重點研發計劃合成生物學專項首席科學家,并獲得國家重點人才引進計劃青年專家、科學中國人年度人物(2018)等榮譽。鐘超研究員是材料合成生物學領域的專家,目前已在Nat. Rev. Mater.、Nat. Nanotechnol.、Nat. Chem. Biol.、Sci. Adv.、Adv. Mater.等領域頂尖期刊發表高水平論文60余篇。 

      擬招聘具有機器學習、計算生物學、合成生物學、微生物學、生物能源等方向,對材料合成生物學交叉領域感興趣的博士后1-2名,研究助理1-2名。有意申請者請將個人簡歷以郵件方式發送至chao.zhong@siat.ac.cn。 

      實驗室主頁: 

      http://isynbio.siat.ac.cn/zhonglab/

     

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