生物被膜构筑细菌工厂“防护网”

  “万物生长靠太阳”。光合作用是指植物或藻类吸收太阳光，将二氧化碳和水合成有机物，并释放氧气的过程。

  近期科学领域非常“火爆”的半人工光合作用，其原理也十分类似。主要是通过人为的方式去模拟光合作用，利用光能催化生产燃料分子或各种有用化学品。半人工光合系统中一般会用半导体作为吸光材料，然而在反应过程中，存在吸光材料与生物细胞不兼容，导致光合作用效果较差、细胞难以循环使用等一系列问题。

  北京时间5月7日，发表在Science子刊《科学进展》上的一项最新研究表明，细菌生物被膜可提供一个理想界面，通过微米尺度物理分隔半导纳米材料和细菌，明显降低光照条件下半导体材料对细菌细胞膜的破坏，最终提高半人工光合作用体系的稳定性和可持续性。研究人员利用这一设计的界面，实现了光驱二氧化碳的高效固定，为收获高的附加价值的能源和化学品提供了重要工具。

  这一成果由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院副研究员王新宇和上海科技大学博士生张继聪为文章共同第一作者，钟超研究员为唯一通讯作者。

  当前的半人工光合系统通常由吸光材料和工程细菌两部分构成，前者负责吸收并储存太阳光中的能量，后者则可通过这些能量，进而生产出各种对人类有用的产品。半导体材料因其优良的吸光性能，常作为半人工光合作用的吸光材料。

  然而，在半导体材料吸收太阳光能量的同时，也会在其周围生成一种“氧化空穴”，这种“氧化空穴”对细菌有很强的毒性，在反应过程中，光生“氧化空穴”会对细菌细胞造成破坏，甚至会造成整个细胞的破裂，极度影响“细菌工厂”的正常运转。

  在此项研究中，研究团队从减少半导体材料与细菌接触的方面出发，进行了响应设计与研究。在半人工光合作用体系中，通过合成生物学改造大肠杆菌生物被膜，经由生物被膜的微生物原位矿化机制构建了一种牢固的生物材料+无机材料的兼容界面。

  研究人员首先在基因层面对大肠杆菌生物被膜的主要成分——CsgA蛋白进行了重新设计，通过将其与具有矿化能力的短肽融合表达，使其能原位固定及负载半导体颗粒。

  这样，在生物被膜的固定下，半导体材料就很难对细菌产生破坏，相当于在细菌工厂表面人为铺上了一张“防护网”。

  就像人类干活要吃饭，生物干活也要吸收能量，半导体需要在吸收光能后通过“防护网”传给微生物细胞，才能使细胞更有动力去“变身”。

  “在半人工光合作用这一新兴领域，团队通过合成生物学技术构建的大肠杆菌功能生物被膜，能起到‘防护网’的作用”。王新宇说道，通过表达具有矿化能力的胞外被膜蛋白，避免了高能半导体材料与细菌的直接接触，从而大幅度的降低了对工程细菌的伤害。

  细菌生物被膜在自然界中都会存在，由细菌及其分泌的胞外基质共同组成，这种天然的活体材料具备功能可编程、自我再生以及环境耐受等特点，因此在规模化光催化方面有较大的应用潜力。比如，在当前的发酵体系中采用的多是悬浮细胞，无法固着。而生物被膜由于内在的贴壁生长特性，因此能通过流动床反应器的设计，实现光催化产物的源源不断生产。

  研究人员通过工程改造的方式，使得构建的大肠杆菌生物被膜具备了矿化和固定二氧化碳的能力，成功构建了能实现光催化还原二氧化碳生成甲酸的半人工光合系统。

  然而，在生物被膜半人工光合作用体系当中，研究人员仅仅引入了单一的酶，还没办法实现高的附加价值经济产物的生成。未来，研究团队会继续对微生物做改造，构建二氧化碳到长链高的附加价值化学分子的合成通路，并对生物被膜的光催化反应体系进行中试发酵尝试，验证该成果体系的规模化生产能力。

  当前，在合成生物学领域，国内出现了二氧化碳转化为淀粉或葡萄糖的重大突破，然而整个体系关键的第一步反应，二氧化碳固定仍然是通过化学催化方法实现，增加了反应体系的复杂性。该研究通过半人工光合体系的构建实现了全细胞的二氧化碳固定，未来有望通过全链条优化，实现基于全细胞体系的二氧化碳到高的附加价值长链化合物的转化。

  “我们利用合成生物技术工程改造细菌生物被膜，构建了一个全新的生物-无机兼容界面，并基于此实现了从单酶到全细胞尺度上可循环利用的半人工光合作用体系，为未来可持续性半人工光合体系的开发提供了一种新的思路，也体现了材料合成生物学技术在能源领域的广阔应用前景。”钟超表示。