中國科大提出級聯半人工光合作用新策略

中國科學技術大學蘇州高等研究院研究員蘇育德團隊，創新性地構建了一種基于非二氧化碳同化微生物的級聯生物雜合體系統，實現了光驅動下從二氧化碳到乙烯的高效、穩定轉化，為半人工光合作用技術的發展提供了全新路徑。1月1日，研究成果發表于《美國化學會志》。

半人工光合體系融合了半導體材料的高光能利用效率與微生物催化反應的高選擇性優勢，成為利用太陽能將二氧化碳轉化為高附加值燃料及化學品的重要途徑。然而，現有體系大多依賴能夠直接固定二氧化碳的微生物，嚴重限制了可選菌種范圍與產物多樣性。如何突破這一瓶頸，成為該領域亟待解決的關鍵問題。

針對上述挑戰，蘇育德研究團隊另辟蹊徑，選用不能直接利用二氧化碳但具備一氧化碳代謝能力、選擇性表達釩鐵蛋白的棕色固氮菌，首次將其與硫化鎘@硫化鋅核殼量子點和鈷卟啉類分子催化劑在細胞內共組裝，構建出一種新型“量子點-分子催化劑-細菌”三元生物雜合體系。

該系統通過兩步串聯光催化反應實現二氧化碳到乙烯的高效轉化：首先，在光照下，量子點-分子催化劑復合物光催化二氧化碳還原為一氧化碳；隨后，原位生成的一氧化碳被細胞內量子點-釩鐵蛋白復合物高效利用，在光驅動下進一步合成乙烯。

該策略巧妙解決了兩大關鍵難題：一是反應環境兼容性問題——需氧的固氮菌能夠在細胞內部天然構建微厭氧環境，有效保護對氧氣敏感的量子點-分子催化劑復合物，避免光生電子被氧氣消耗，顯著提升一氧化碳產率；二是傳質限制問題——細胞內部原位生成局部高濃度一氧化碳，從而加速后續到乙烯的轉化速率。

基于時間分辨熒光光譜的機理研究表明，復合物之間存在高效電子傳遞路徑，熒光探針技術進一步驗證了中間體一氧化碳在細胞內的光驅動生成。優化后的系統在連續一周的光照反應中穩定運行，累計產生每升7.9微摩爾乙烯，較傳統糖驅動的天然系統提升162%，展現出卓越的催化效率與長期穩定性。

研究人員介紹，此項研究成果不僅拓展了可用于二氧化碳轉化的微生物種類，更提出了一種普適性的“細胞內級聯”策略，未來有望推廣至其它非二氧化碳同化菌株，用于由二氧化碳制備生物燃料、生物塑料等多種高附加值化學品，助力實現“雙碳”目標下的綠色可持續發展。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c20893