“萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”。近年來(lái)，科學(xué)家們開(kāi)始模擬光合作用，用于生產(chǎn)制造。在這種“半人工光合作用”中，“細(xì)菌工廠”發(fā)揮著重要作用，但在人工光照下，會(huì)影響這座“工廠”的穩(wěn)定發(fā)揮。

5月7日，中科院深圳先進(jìn)院團(tuán)隊(duì)在Science子刊《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表研究，利用合成生物學(xué)，為“細(xì)菌工廠”構(gòu)筑了一道“防護(hù)網(wǎng)”。深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院副研究員王新宇和上?？萍即髮W(xué)博士生張繼聰為文章共同第一作者，鐘超研究員為唯一通訊作者。

保障“細(xì)菌工廠”運(yùn)轉(zhuǎn)

光合作用是指植物或藻類(lèi)吸收太陽(yáng)光，將二氧化碳和水合成有機(jī)物，并釋放氧氣的過(guò)程。

參照這一原理，半人工光合作用同樣利用光能催化，生產(chǎn)燃料分子或各種化學(xué)品。其中，吸光材料和工程細(xì)菌是兩大得力“干將”，前者負(fù)責(zé)吸收并儲(chǔ)存太陽(yáng)光中的能量，后者則利用這些能量進(jìn)行生產(chǎn)。

“半導(dǎo)體材料因其優(yōu)良的吸光性能，常作為半人工光合作用的吸光材料。然而這種材料在吸收太陽(yáng)光能量的同時(shí)，也會(huì)在其周?chē)梢环N‘氧化空穴’，對(duì)細(xì)菌有很強(qiáng)的毒性，甚至?xí)斐烧麄€(gè)細(xì)胞破裂，‘細(xì)菌工廠’也就無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。”王新宇說(shuō)。

為此，團(tuán)隊(duì)從減少半導(dǎo)體材料與細(xì)菌接觸的角度出發(fā)，進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。他們發(fā)現(xiàn)大腸桿菌生物被膜有開(kāi)發(fā)潛力。

改造“安全網(wǎng)”

要當(dāng)好一張合格的“防護(hù)網(wǎng)”，大腸桿菌生物被膜還需要一番改造。于是，團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)手段，對(duì)其主要成分進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使其能原位固定及負(fù)載半導(dǎo)體顆粒，從而形成一種牢固的生物材料+無(wú)機(jī)材料的兼容界面。

在這種生物被膜的固定下，半導(dǎo)體材料就很難對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生破壞，相當(dāng)于在細(xì)菌工廠表面人為鋪上了一張防護(hù)網(wǎng)。

“就像人類(lèi)干活要吃飯，生物干活也要吸收能量，半導(dǎo)體需要在吸收光能后通過(guò)‘安全網(wǎng)’傳給微生物細(xì)胞，才能使細(xì)胞更有動(dòng)力去‘變身’。”王新宇說(shuō)。

“在半人工光合作用這一新興領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)通過(guò)合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建的大腸桿菌功能生物被膜，能起到‘安全網(wǎng)’的作用。”王新宇說(shuō)道，通過(guò)表達(dá)具有礦化能力的胞外被膜蛋白，避免了高能半導(dǎo)體材料與細(xì)菌的直接接觸，從而大大降低了對(duì)工程菌的傷害。

然而，在生物被膜半人工光合作用體系當(dāng)中，研究人員僅僅引入了單一的酶，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)高附加值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物的生成。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)對(duì)微生物進(jìn)行改造，構(gòu)建二氧化碳到長(zhǎng)鏈高附加值化學(xué)分子的合成通路，并對(duì)生物被膜的光催化反應(yīng)體系進(jìn)行中試發(fā)酵嘗試，驗(yàn)證該成果體系的規(guī)?；a(chǎn)能力。