光能易獲取、能量充足，是公認的未來人類最安全、最綠色、最理想的替代能源之一。天然光合作用可以直接利用光能固定空氣中的二氧化碳合成有機物，但光合作用的效率較低（通常低于1%）。

　　近年來發展的半導體材料-微生物人工雜合體系，同時結合了高效捕獲光能的半導體材料和高特異性催化的微生物細胞，已成功實現了讓不能利用光能的微生物能夠利用光能，并提高天然光合作用效率。

　　然而，由于細胞膜磷脂雙分子層具有絕緣性，致使半導體材料吸收光能產生的電子極難進入細胞，與細胞內生物電子交匯并轉化為生物能的效率低。因此，如何將光生電子高效轉化為細菌可用的生物能是目前亟需解決的問題。

　　7月22日，國際期刊《科學進展》在線發表了一項最新研究成果，該工作報道一種新型“人工光細胞”構建方法，將半導體材料吸收光能產生電子有效轉化為生物能，讓不能利用光能的工業發酵微生物可以有效利用光能，在生物制造方面更具優勢。

　　中國科學院深圳先進院合成生物學研究所副研究員高翔和芝加哥大學教授田博之為該論文的通訊作者，芝加哥大學林藝良（現為新加坡國立大學助理教授）、史久昀和深圳先進院高翔課題組訪問學者馮煒為該論文的第一作者。

　　合成設計“生物軟界面”

　　將高效吸收光能的半導體材料與高選擇性催化的活細胞集成，合成一種新的人工體系（“人工光細胞”），利用微生物的優異胞內催化能力將半導體吸收的光能轉化為化學能，可潛在大幅提高人工光合作用的效率和特異性生產復雜化合物的能力，為光驅生物制造技術提供新的路徑。

　　細菌周質空間定向合成納米光伏顆粒實現光生電子到生物能高效轉化

　　自然界中，厘米尺度的動物鱗片與表皮細胞，微米尺度鈣板金藻外殼材料與細胞之間，都可以形成具有保護功能的外殼材料。研究團隊受自然界中材料-生物界面的啟發，構思了在大腸桿菌的周質空間中定向合成CdS半導體材料，為其裝上納米光伏顆粒的外殼，合成新型生物界面的設計思路。

　　“研究中展示了一種通過微生物自身礦化的方法在細菌周質空間內合成CdS半導體材料，創建納米尺度的‘外骨骼’，形成材料-生物雜合體，可直接利用光能應用綠色生物制造方向，提高生物合成的效率”，論文通訊作者高翔說道。半導體納米團簇的結晶度較低，并被周質的肽聚糖基質穩定，從而提供了一個比化學法合成半導體 “更柔軟”的材料-生物界面，生物相容性更好。

　　此外，團隊還研究了周質半導體團簇將光敏特性與細菌代謝結合起來的能力，以增強細胞內的生物合成和光能驅動的生物基化學品生產，并探索周質空間定向合成材料和材料-生物雜合體提高生物合成效率的機制。

　　研究發現，在半導體團簇礦化后，生物雜化材料顯示出了更高的薄膜密度，且這種生物雜化材料還能夠礦化多種金屬元素，形成“高熵”半導體團簇。

　　構建新型“人工光細胞”

　　該研究中，研究團隊還發現細菌周質空間可以為半導體納米團簇的生物礦化提供獨特的反應空間，在光照條件下，亞穩態半導體納米團簇產生電子可直接進入位于細菌內膜上的電子傳遞鏈并傳遞電子，提高質子梯度并驅動ATP合酶合成ATP,進而促進蘋果酸的生成。

　　高翔介紹，目前研究開發的用于增強光能驅動化學品合成的周質空間材料-生物雜合體可以擴展到其他細菌或細胞中，提高光能利用和產物合成，還可以潛在地應用于重金屬污染修復。結合半導體、豐富的分子生物學工具和現有的微生物模型，周質空間-生物雜合體平臺將能夠以經濟有效的方式生產生物基化學品、燃料和藥物分子。

　　綠色生物制造是人類社會可持續發展線路重要組成部分，多種重要的化學品生物合成需要消耗大量的體內供能物質——三磷酸腺苷（ATP）。例如，萜類化合物是一大類最重要的天然產物，包括青蒿素、紫杉醇和番茄紅素等，主要通過甲羥戊酸途徑（MVA）合成其通用前體，需要消耗大量的ATP，細胞ATP供應不充足通常是該途徑關鍵限速因子，該研究通過構建周質空間-微生物的雜合體，可以高效的吸收光能并轉化為胞內ATP，進而有效驅動胞內ATP依賴型的產物合成途徑。(趙梓杉/文 科研團隊/圖)

編輯：李芊諾

責編：汪黃任

審核：張永杰