中科院深圳先进院学者构建生物-半导体兼容界面，利用细菌生物被膜为半人工光合作用提供新方向

半人工光合作用被认为是革新现有能源现状的研究方向之一，它把太阳能转成化学能进行储存，产生氢气能源分子。还可以将二氧化碳转变为功能性高附加值产物（例如药物分子、食品、医美原料、能源物质等），甚至有望未来在火星极端环境二氧化碳含量高达 90% 的条件下实现细菌工厂的建造。

然而，半人工光合作用的难点在于，无机半导体材料和细菌细胞像“鱼和鸟生活在不同地方”一样无法兼容。并且，还要解决提高二氧化碳转化为多碳分子的效率、可持续转化的瓶颈问题。因此，创建一个兼具鲁棒性和高效性的生物-半导体兼容界面是将太阳能向化学能转化成功的关键。

图丨透射电子显微镜拍的大肠杆菌生物被膜照片（来源：该团队）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所（以下简称“中科院深圳先进院合成所”）材料合成生物学研究中心主任钟超研究员带领团队，利用大肠杆菌生物被膜创建了超稳定、生物-半导体兼容的界面平台，并实现单酶到全细胞的多样化光催化作用，在纳米尺度通过光能驱动二氧化碳高效固定。

该研究利用生物被膜基质构建生物-半导体兼容界面，将生物活材料的应用范畴推广到能源领域，为可持续的光催化应用建立了概念证明。“我们的工作对于半人工光合作用领域的放大生产，及可持续性提供了新的思路。”中科院深圳先进院合成所研究员钟超表示。

图丨相关论文（来源：Science Advances）

相关论文以《光催化剂矿化生物被膜作为活体生物-非生物界面用于单酶到全细胞的多样化光催化应用》（Photocatalyst-mineralized biofilms as living bio-abiotic interfaces for single enzyme to whole-cell photocatalytic applications）为题发表在 Science Advances [1] 上。

“另辟蹊径”：利用细菌生物被膜建立生物-半导体兼容的半人工光合体系

随着全球能源危机和温室效应问题，世界各国开始将实现“碳中和”作为国家发展策略。在生物领域，如何高效地将二氧化碳固定是发展“碳中和”的核心要素。

在自然界中，绿色植物通过光合作用吸收光能、固定二氧化碳，然后再将其生成有机物质并释放氧气。但是，人类如何通过光合作用得到理想的能源呢？

于是，科学家开始模仿自然，利用无机材料发展人工光合作用体系，但催化反应的选择性和转化效率并不理想。2014 年，半人工光合作用领域开始兴起，与人工光合相比，它比无机材料拥有更好的酶选择性，即产物更灵活，并具备更高的经济附加值。

图丨钟超研究员（左），王新宇副研究员（来源：该团队）

在以往研究中，通常将半导体材料固定在细菌的细胞膜表面，或通过细胞的内吞作用把纳米半导体材料吞到细胞里，以确保光生电子到微生物细胞的有效传递。

半导体材料有一把无形的“双刃剑”，它在产生电子的同时，也会产生氧化空穴。也就是说，会在产生电子过程中造成细胞膜伤害，进而导致细胞损伤。

钟超团队提出，能不能减少空穴对细胞的直接损害呢？如果能做到这点，在保证二氧化碳转化效率的同时，还可保持细胞的活性，并连续不断地加以运用。

细菌生物被膜的产生机制较清晰，钟超团队在前期的研究中，通过合成生物技术改造了大肠杆菌的细菌生物被膜，赋予生物被膜多样化功能。如实现智能水下粘合、定向组装纳米材料、光控产生梯度复合材料等。

于是，该团队“另辟蹊径”地利用生物被膜建立了生物-半导体兼容界面。他们通过基因重组方式在生物被膜上展示可矿化半导体的功能短肽，从而使生物被膜具有合成半导体纳米材料的能力。

研究中，团队利用生物被膜展示的功能短肽直接诱导硫化镉半导纳米材料在生物被膜表面沉积，避免其沉积到细胞膜表面。

图丨光催化剂矿化活体生物被膜实现单酶到全细胞的多样化光催化应用（来源： Science Advances ）

随后，钟超团队对生物被膜的保护作用猜想进行了实际验证，他们发现，直接把矿化材料在生物被膜上沉积与直接在细胞膜上沉积，在细胞存活率上有显著的区别，含有生物被膜的体系在蓝光光照后，具备更高的细胞存活率。

该论文第一作者、中科院深圳先进院副研究员王新宇指出，与细胞膜表面直接矿化半导体材料相比，在光照后，从透射电镜或荧光显微镜的染色结果可分别以看出，生物被膜体系中微生物的外膜更完整，同时细胞的存活数量更多。

这些光催化剂矿化生物膜表现出高效的光电响应，并被进一步开发用于多种光催化反应系统。经过 5 个循环的光催化 NADH（Nicotinamide adenine dinucleotide，还原型辅酶Ⅰ）再生反应，生物被膜可持续循环利用。

“正是由于生物被膜对外界不利环境具有较强的耐受性，该方法从另一个维度考虑提升了它的稳定性，并提高了可循环利用价值的重要性。”钟超说。

图丨生物被膜-硫化镉纳米颗粒杂合体系的材料表征（来源：Science Advances）

在微生物生长阶段，细胞需要营养才能增长到一定密度值。如果细胞保持存活并能一直维持在特定密度，便可实现持续性生产。而生物被膜由于在低营养的环境下就可以很容易地生长繁殖，因此该方法具备大规模生产的潜力。

钟超表示，该方法还改变了以往纯液体发酵的做法，突破能源的生产限制。而现在他们正在想办法把生物被膜与其他化工反应器结合，有可能更利于工业化应用。

有望应用于生物医药、能源、太空探索、化妆品制造等多领域

二氧化碳转化产物方面，该团队通过文献检索找到适用于固定二氧化碳的甲酸脱氢酶。随后，他们在大肠杆菌的胞内表达甲酸脱氢酶，通过光催化固定二氧化碳收获了甲酸。“虽然甲酸的附加值并不高，但在我们摸出通路后，未来可拓展到其他附加值更高的碳链产物。”王新宇说。

该团队希望接下来在导电方面做一些改进，使无机合成的材料在吸收光能后，更高效地将电子传递到微生物细胞。与此同时，他们也将拓展能生产生物被膜的微生物菌株。例如枯草杆菌、谷氨酸棒状杆菌等，并希望能找到对外界环境更耐受的新底盘。

图丨耦合异亮氨酸脱氢酶（LDH）将三甲基丙酮酸（TMP）光催化还原为L-异亮氨酸（来源：Science Advances）

该方法除适用于应对全球的能源危机外，在太空探索领域也有广泛的应用前景。通过该方法人们只需携带原始菌株，便能在太空持续性地进行药品、材料、能源、食品等生产。通过这一途径可大大降低太空探索过程中原料的运输成本，目前，NASA 等机构也在积极地布局该方向，并资助了美国多所高校教授进行相关研究。

王新宇表示，该方法在农业及生物修复方面具备应用潜力，例如使用活材料能增加固氮产量，从而减少化肥的使用，降低种植成本。

自然界的物质是如何被编码成具有动态自修复、对环境响应的材料呢？人类的骨头可自愈合，编码的细胞在其中起到重要的作用，了解其背后的机理，可以更加深刻地认识自然界。

钟超认为，站在合成生物技术或者工程角度，科学家正在以自然界的活材料为蓝本开发出具有类似自然材料所具有的活体特征的材料。未来，科学家甚至有可能研究出来一些自然界不存在的新功能。“希望活材料在生物能源、生物医药领域的应用可以改变现有材料的边界，从概念、性能到应用层面逐步推进并落地。”他说。

那么，半人工光合作用何时能落地产业化呢？钟超指出，半人工光合作用的产业化进程取决于各方面的推进。比如概念证明、基础理论的夯实程度，将技术带到市场的认可度以及每个环节的成本等。“我认为可能在 5 至 10 年，甚至更长的时间，会有成熟的相关产品出现。”他说。

探索材料合成生物学领域，建立世界首个布局材料合成生物学的研究中心

钟超博士毕业于美国康奈尔大学，并在华盛顿大学、麻省理工学院（MIT）完成博士后训练。钟超博士在第一站博后期间看到了Science 期刊专门介绍合成生物学的报道。

当时合成生物学刚发展不到十年，他认为，合成生物技术有可能给新材料的开发提供新的思路，因此，特意申请并成功加入当时还是 MIT 助理教授的卢冠达（Timothy Lu）课题组从事这一新兴交叉领域。

虽然新领域有不确定因素，但大胆探索后反而可能会有更多的收益。多年来，钟超始终坚持原创工作。“从 0 到 1 的工作可能在概念证明的阶段就很困难，但做出来会产生很大的影响。”他说。

2014 年 7 月，钟超正式回国并积极推进活体材料的发展，探索出全新的材料合成生物学领域。2020 年，他正式加入中科院深圳先进院合成生物学研究所，并在领导的大力支持下，成立材料合成生物学研究中心，这也是世界首个布局材料合成生物学交叉研究领域的研究中心。

图丨钟超研究员（来源：钟超）

目前，哈佛大学、康奈尔大学、圣地亚哥、麻省理工学院、杜克大学、帝国理工学院、莱布尼茨新材料研究所以及国内知名高校和机构，都在积极地布局材料合成生物学领域，特别是探索活材料的各种应用可能。

该团队应用的底盘细胞目前还局限于微生物细胞，未来将逐步拓展到植物细胞、哺乳动物细胞等。目前，该团队正在将 AI、机器学习方法整合到活材料的开发中。

为更好地将技术转化，钟超于 2021 年成立了创新生物材料研发和应用企业柏垠生物。据悉，该公司长期布局的方向包括生物医药和工业领域，其核心产品主要包括蛋白、多糖类以及活体材料，广泛应用于医药、化妆品、食品和工业领域。

图丨深圳市工程生物产业创新中心展厅（来源：该团队）

学有所成归国成为老师、开拓新的领域，钟超经常鼓励学生走出固有的知识框架，并坚持终身学习。他认为，要带着长期目标以终为始、不断学习融汇新知识，同时，保持开放的心态与不同领域的人合作，只有这样才能保持“超前意识”。

“从开始就思考并布局如何将基础问题、技术问题、技术转移的链条打通，是一种重要的科研模式。”钟超表示。

他认为，好导师需具备引导性，不能给学生们“填鸭式”的教育。然后，给学生自由成长的空间，培养他们独立性、提升他们的视野，并创造条件锻炼他们的能力。此外，不一定要让学生去做容易的课题，而是鼓励学生提出更有挑战性的课题。然后从导师的角度不遗余力地支持，让他们成长为独立的科学家，但不建立“标准”。

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参考：

1、Xinyu Wang et al.Science Advances 8,18（2022）. DOI: 10.1126/sciadv.abm7665