細胞也能“用光造物”？太陽能驅動生物制造獲新突破

如果能夠跳過“光合生物中轉站”，讓工業微生物直接利用太陽能合成化學品，太陽能向生物制造體系的轉化效率和產物多樣性將實現大幅提升。如何讓微生物真正“用光造物”，正成為合成生物學與能源科學交叉領域的重要前沿方向之一。

3月10日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員高翔團隊聯合南京大學教授王元元團隊、上海交通大學教授楊琛團隊，在《自然—可持續發展》上發表最新研究成果。

團隊成功構建出一種人工光合工程細胞，使非光合工業微生物能夠直接利用太陽能，驅動廢棄碳源向高附加值化學品高效轉化，為非糧碳源生物制造和綠色低碳產業轉型提供了新的技術路徑。

讓工業微生物“直接用光”

光是地球生命最初的能量來源。此前有研究表明，植物和藻類等光合生物雖能通過光合作用轉化太陽能，但光能利用率通常不足1%；而工業常用的大腸桿菌、酵母等微生物無法直接利用光能，只能依賴光合生物合成的糖等，整體光能利用效率通常低于0.05%。在“太陽能—光合生物—糖—微生物—產品”的傳統路徑中，大量能量被層層消耗。若能為工業微生物建立直接利用光能的“接口”，生物制造體系的能源效率有望實現根本性提升。

圍繞這一目標，研究團隊創新性地將半導體材料構建為“人工捕光天線”。通過設計零維、一維、二維等不同形貌的半導體納米材料，系統優化材料光吸收性能，從源頭提升光能轉化效率。更關鍵的是，研究人員將二維半導體材料直接送入微生物細胞內部，在細胞內裝上“人工捕光天線”。

與傳統胞外材料需要電子跨膜傳遞的方式相比，這種“入胞式”設計顯著縮短了電子傳輸距離，降低能量損耗，使光生電子直接在細胞內部參與代謝反應，實現從“外部供能”向“內部驅動”的轉變。工程微生物由此真正具備了直接利用太陽能進行生物合成的能力。

提升太陽能生物制造效率

在材料創新基礎上，團隊進一步解析了光電子驅動代謝重構的分子機制。通過代謝組學與轉錄組學分析，研究人員發現焦磷酸硫胺素（TPP）相關代謝途徑在光照條件下顯著上調。進一步實驗表明，TPP在光生電子向生物能量分子轉化過程中發揮關鍵“橋梁”作用，促進細胞內關鍵的能量分子（NAD(P)H與ATP）的再生，實現無機光電子與細胞能量分子之間的高效耦合。

這意味著，研究團隊不僅為非光合微生物安裝了“人工捕光天線”，還重構了胞內“電子流通路”，實現太陽能向生物能量分子的精準轉化與高效利用，從機制層面夯實了太陽能驅動生物制造的技術基礎。

在研究試驗中，人工光合作用工程細胞成功合成了多種高附加值產品，包括2,3-丁二醇（BDO）、生物塑料PHB和航空燃料α-法呢烯等生物基化學品、生物材料和生物燃料，顯示出廣泛的產品開發潛力。該細胞能利用海藻提取物甘露醇、秸稈水解液等多種廢棄物作為碳源。在5升發酵罐中，以工業糖蜜廢水為主要原料，BDO的產量達到30.71克/升，驗證了該體系在規模化生產和廢碳升級轉化方面的應用潛力。

“相比傳統依賴糖類原料發酵或在體系中自行合成雜合體的生物制造方法，這種新型人工光合工程細胞能夠顯著減少溫室氣體排放、降低生產成本，表現出良好的環境可持續性和產業化潛力。”論文通訊作者高翔表示。

該研究在細胞內部建立了太陽能向生物能量分子高效轉化的通路，實現太陽能與生物制造的深度融合，為可再生能源直接驅動綠色化學品生產提供了新范式。未來，團隊將進一步融合合成生物學、材料科學與能源化學優勢，拓展CO2、廢塑料及工業廢水等非糧碳源的高值化利用路徑，推動太陽能驅動合成生物制造向高效率、可擴展與可持續方向發展。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41893-026-01787-x