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中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王樹(shù)研究員課題組發(fā)展了一種基于可控生物合成和化學(xué)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的生物組裝系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)控生物電子傳遞過(guò)程，實(shí)現(xiàn)非光合微生物的光合功能，并成功實(shí)現(xiàn)高價(jià)值化學(xué)品（蘇氨酸和2-酮丁酸）的合成。相關(guān)研究工作以“Solar-Driven Producing of Value-Added Chemicals with Organic Semiconductor-Bacteria Biohybrid System”為題發(fā)表在Research上。 Citation: Wen Yu, Haotian Bai, Yue Zeng, Hao Zhao, Shengpeng Xia, Yiming Huang, Fengting Lv, Shu Wang, "Solar-Driven Producing of Value-Added Chemicals with Organic Semiconductor-Bacteria Biohybrid System", Research, vol. 2022, Article ID 9834093, 13 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9834093 研究背景 微生物產(chǎn)能代謝具有豐富的多樣性，如卡爾文循環(huán)和三羧酸循環(huán)，可以將可再生碳源轉(zhuǎn)化為特定的化學(xué)物質(zhì)，因此微生物作為生物工廠被廣泛應(yīng)用于化學(xué)品合成。然而，微生物代謝過(guò)程伴隨著較低的生物合成效率和復(fù)雜的副產(chǎn)物生成。目前科學(xué)家們可通過(guò)生物和化學(xué)結(jié)合的方法來(lái)解決這些問(wèn)題，例如，借助基因工程，利用基因工具修改細(xì)胞內(nèi)代謝途徑，創(chuàng)造出超越固有代謝模型的新型途徑，進(jìn)而提高微生物的合成精度。微生物與光電活性材料結(jié)合的人工光合生物復(fù)合系統(tǒng)是另一種提高微生物合成效率的方法。其中，光電活性材料在太陽(yáng)光照射下產(chǎn)生光生電子，并定向注入微生物代謝電子傳輸路徑，提高合成中間體的比例，最終將可再生碳源轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的化學(xué)品。 研究進(jìn)展 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王樹(shù)研究員課題組成功設(shè)計(jì)并制備了具有優(yōu)異電荷分離能力且能級(jí)匹配的供體-受體型（Donor-acceptor）共軛聚合物納米粒子（D-A CPNs），利用共軛聚合物優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能和能級(jí)匹配的電子傳遞路徑，在光照條件下實(shí)現(xiàn)光生電子向大腸桿菌（E. coli）天然代謝途徑的定向注入，完成了非光合微生物的光合功能化改造，并加速了生物合成過(guò)程，使天然產(chǎn)物蘇氨酸生產(chǎn)效率提高了37%；進(jìn)一步通過(guò)D-A CPNs共價(jià)連接修飾的蘇氨酸脫氨酶的催化轉(zhuǎn)化能力，即可實(shí)現(xiàn)將蘇氨酸進(jìn)一步定向催化轉(zhuǎn)化為目標(biāo)增值化學(xué)品2-酮丁酸，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)53%（圖1）。 圖1 大腸桿菌/D-A CPNs@Enzyme人工光合生物復(fù)合系統(tǒng)示意圖 通過(guò)納米沉淀方法，利用疏水性共軛聚合物（MEH-PPV和PFTP）和兩親性PSMA制備了羧基化的D-A CPNs，并對(duì)其光電性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試與表征（圖2）。最后，將蘇氨酸脫氨酶通過(guò)氨基和羧基的縮合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)與D-A CPNs 的共價(jià)連接。根據(jù)光譜測(cè)試與計(jì)算，可以看出MEH-PPV的LUMO能級(jí)低于PFTP的LUMO能級(jí)，因而PFTP的光生電子可以順利轉(zhuǎn)移到MEH-PPV的LUMO能級(jí)，并抑制光生電子回落到PFTP的HOMO能級(jí)。根據(jù)MEH-PPV、PFTP及MEH-PPV/PFTP的光電流和熒光壽命測(cè)試結(jié)果，證實(shí)MEH-PPV和PFTP的組裝過(guò)程有效實(shí)現(xiàn)了電荷分離與轉(zhuǎn)移。 圖2 D-A CPNs和D-A CPNs@Enzyme的制備與表征 作者通過(guò)等溫滴定量熱法（ITC）和微生物表面電勢(shì)（zeta potential）測(cè)量分別研究了E. coli與D-A CPNs以及D-A CPNs@Enzyme的相互作用，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明D-A CPNs或D-A CPNs@Enzyme與細(xì)菌結(jié)合的主要驅(qū)動(dòng)力是D-A CPNs或酶表面羧基與帶負(fù)電荷的大腸桿菌表面的氫鍵作用。同時(shí)，作者還利用掃描電子顯微鏡（SEM）和共聚焦激光掃描顯微成像（CLSM）證明D-A CPNs和D-A CPNs@Enzyme可以很好地吸附定位在細(xì)菌表面。 圖3 D-A CPNs或D-A CPNs@Enzyme與大腸桿菌的相互作用 作者通過(guò)光照下D-A CPNs產(chǎn)生的光生電子實(shí)現(xiàn)了大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)NADPH含量的定向增強(qiáng)，促進(jìn)了天門(mén)冬氨酸半醛脫氫酶和天門(mén)冬氨酸激酶I催化大腸桿菌內(nèi)的天門(mén)冬氨酸生成蘇氨酸。相對(duì)于比空白組E. coli，所構(gòu)建的E .coli/D-A CPNs@Enzyme生物雜化系統(tǒng)在光周期為12小時(shí)的光-暗循環(huán)中累積的蘇氨酸含量提高37%，合成的最終產(chǎn)物2-酮丁酸比對(duì)照組增加58%。生物合成效率提高主要?dú)w因于D-A CPNs在光照射下高效的空穴/電子分離過(guò)程以及電子到E .coli的高效注入。該系統(tǒng)的光合利用效率最高可達(dá)1.25%，媲美天然植物和藻類的光合作用效率。 圖4 E .coli/D-A CPNs@Enzyme生物雜化體系及電子轉(zhuǎn)移機(jī)制研究 未來(lái)展望 通過(guò)酶修飾的有機(jī)半導(dǎo)體納米粒子與微生物自組裝，構(gòu)建了一種基于可控生物合成和化學(xué)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的人工光合生物雜化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的高價(jià)值化學(xué)品定制合成。該工作基于生物電子調(diào)控策略，不僅定向增強(qiáng)了生物代謝與合成過(guò)程，而且實(shí)現(xiàn)了非光合微生物的光合功能創(chuàng)制，為有機(jī)半導(dǎo)體的生物功能應(yīng)用提供了新思路，為功能定制的生物元件進(jìn)化與生物合成新途徑提供了新策略。隨著合成生物學(xué)技術(shù)和材料科學(xué)的快速發(fā)展，模塊化的天然與非天然化學(xué)品的微生物高效合成將為我們提供一種綠色、且可持續(xù)發(fā)展的全新解決方案。
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