生物被膜構筑細菌工廠“防護網”

　　“萬物生長靠太陽”。光合作用是指植物或藻類吸收太陽光，將二氧化碳和水合成有機物，并釋放氧氣的過程。

　　而近期科學領域非常“火爆”的半人工光合作用的原理與其十分類似，主要是通過人為方式模擬光合作用，利用光能催化生產燃料分子或各種有用化學品。半人工光合系統通常采用半導體作為吸光材料，但反應過程中吸光材料與生物細胞不兼容，往往導致光合作用效果較差、細胞難以循環使用等一系列問題。

　　5月7日發表在《科學進展》的一項最新研究表明，細菌生物被膜可提供一個理想界面，在微米尺度物理分隔半導體納米材料和細菌，顯著降低光照條件下半導體材料對細菌細胞膜的破壞，最終提高半人工光合作用體系的穩定性和可持續性。利用這一界面，研究人員實現了光驅二氧化碳的高效固定，為收獲高附加值的能源和化學品提供了重要工具。

　　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研究員鐘超課題組副研究員王新宇、上海科技大學博士生張繼聰為文章共同第一作者，鐘超為通訊作者。

　　改造大腸桿菌生物被膜

　　當前的半人工光合系統通常由吸光材料和工程細菌兩部分構成，前者負責吸收并儲存太陽光中的能量，后者則可以利用這些能量生產各種對人類有用的產品。因其優良的吸光性能，半導體材料常被作為半人工光合作用的吸光材料。

　　然而，在半導體材料吸收太陽光能量的同時，其周圍也會生成一種“氧化空穴”，后者對細菌有很強的毒性。在反應過程中，光生“氧化空穴”會對細菌細胞造成破壞，甚至導致整個細胞破裂，嚴重影響“細菌工廠”正常運轉。

　　那么，該如何解決這一問題呢？

　　在該研究中，研究團隊從減少半導體材料與細菌接觸的角度出發，進行了響應設計與研究。他們在半人工光合作用體系中改造大腸桿菌生物被膜，通過生物被膜的微生物原位礦化機制，構建了一種牢固的生物材料+無機材料兼容界面。

　　研究人員首先在基因層面對大腸桿菌生物被膜的主要成分——CsgA蛋白進行了重新設計，使其與具有礦化能力的短肽融合表達，從而原位固定并負載半導體顆粒。在生物被膜的固定下，半導體材料很難對細菌產生破壞，相當于在“細菌工廠”表面人為鋪上一張“防護網”。

　　“在半人工光合作用這一新興領域，團隊通過合成生物學技術構建的大腸桿菌功能生物被膜，起到了‘防護網’的作用。”王新宇說，通過表達具有礦化能力的胞外被膜蛋白，高能半導體材料與細菌避免了直接接觸，從而大大降低了對工程菌的傷害。

　　科學手段助力綠色制造

　　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。這種天然的活體材料具有功能可編程、自我再生以及環境耐受等特點，在規模化光催化方面有較大應用潛力。

　　研究人員通過工程改造方式，使構建的大腸桿菌生物被膜具備了礦化和固定二氧化碳的能力，成功建立了實現光催化還原二氧化碳并生成甲酸的半人工光合系統。

　　然而，在生物被膜半人工光合作用體系中，研究人員僅引入單一的酶，還無法實現高附加值經濟產物的生成。未來，研究團隊將繼續對微生物進行改造，構建從二氧化碳到長鏈高附加值化學分子的合成通路，并對生物被膜的光催化反應體系進行中試發酵嘗試，驗證該成果體系的規模化生產能力。

　　當前，在合成生物學領域，我國科學家取得了將二氧化碳轉化為淀粉或葡萄糖的重大突破，然而，整個體系關鍵的第一步反應——二氧化碳固定仍是通過化學催化方法實現的，增加了反應體系的復雜性。該研究通過半人工光合體系的構建實現了全細胞的二氧化碳固定，未來有望通過全鏈條優化，實現基于全細胞體系的從二氧化碳到高附加值長鏈化合物的轉化。

　　“我們利用合成生物技術工程改造細菌生物被膜，構建了一個全新的生物—無機兼容界面，并實現了從單酶到全細胞尺度上可循環利用的半人工光合作用體系，為未來可持續性半人工光合體系的開發提供了新思路，也展現了材料合成生物學技術在能源領域的廣闊應用前景。”鐘超表示。