Chemical Reviews|半人工光合系统中的能量流动

2024年6月21日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所材料合成生物学研究中心(以下简称“深圳先进院合成所材料中心”)王博团队、高翔团队和钟超团队在国际著名学术期刊Chemical Reviews联合在线发表综述文章“Revisiting solar energy flow in nanomaterial-microorganism hybrid systems”。文章从系统层面论述了纳米材料-微生物杂合体系捕获太阳能并转化为化学能的过程与机理,对该体系相关研究的重要进展和面临的挑战进行了分析与总结,对未来发展方向和潜在应用领域进行了思考与展望。

 

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原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.3c00831

 

王博团队此前曾发表综述对半人工光合领域进展进行了回顾与展望(Energy Environ. Sci. 2022, 15, 529-549.),本篇文章针对该领域进行了更深层次认识、思考与总结。


当今社会对于对可持续发展的需求正在不断提升。半人工光合系统是近年来出现的多样化利用太阳光能的策略之一。该系统兼具自然与人工光合系统的优势(图1),在清洁能源生产、碳减排、绿色化学品生产等领域具有不可忽视的潜在价值。相比之下,基于半导体纳米材料-微生物活细胞杂合体系(Nanomaterial-microbial hybrid system, NMHS)构建的半人工光合系统最具发展潜力。

 

图1. 自然光合系统、半人工光合系统和人工光合系统的主要特征以及独特优势。.png

图1. 自然光合系统、半人工光合系统和人工光合系统的主要特征以及独特优势。

 

虽然相关研究进展迅速,绝大多数NMHS成功实例都因为能量转换效率欠佳而无法投入实际应用。造成这一现象的主要原因是对NMHS复杂且瞬态的内在能量流动过程缺乏系统性了解与分析,从而难以着手进行系统设计与优化。在这篇综述中,我们通过梳理NMHS内部能量流动过程(光能捕获-跨膜能量传递-能量转化),针对当前研究面临的挑战并提出合理的优化方案。

 

在光能捕获阶段,半导体纳米材料吸收光子能量激发光电子。光电子被微生物细胞直接或间接用于驱动化学品生产。纳米材料的能带结构决定了材料的捕光范围和光电子的催化活性(图2)。对于这一阶段的优化策略应综合考虑光照条件和材料的生物安全性,对包括调节材料能带结构以优化捕光范围和催化活性,强化材料和细胞的光耐受水平以适应更高的光强,以及优化纳米材料的生物安全性以降低其对微生物的损害。在跨膜能量传递阶段,纳米材料捕获的光能需要跨越细胞膜进入胞内驱动代谢反应。该阶段优化工作应充分关注材料与细胞的结合方式(胞外悬浮、表面贴附、进入胞内)和能量跨膜传递模式(电子直接传递、借助电子介体或氢气等)。优化策略包括构建人工传递途径实现高效能量跨膜,强化材料和细胞的结合程度(贴附或胞内富集),缓解胞内材料对微生物活性的影响,以及构建胞内材料和目标酶之间的特异性亲和力。在能量转化阶段,微生物细胞通过酶催化将光能转换并储存为产物分子的化学键能。驱动关键代谢途径的目标酶可以从辅因子(NAD(P)H或ATP)、纳米材料或载体获取能量。该阶段的优化策略应着眼于降低能量耗散,包括强化微生物对辅因子的利用效率,强化整微生物对特异性载体(比如H2和甲酸)的代谢活性,以及构建材料和目标酶之间的高特异性能量传递与转化途径。

 

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图2. 当前报道的典型NMHS当中半导体纳米材料的能带结构。

 

我们还从系统性角度分析了当前NMHS所面临的挑战并提出了相应的应对方案,包括利用现代仪器分析技术、合成生物学、高通量与自动化、机器学习和人工智能等最新技术实现从机理解析、系统设计、实验操作到数据分析的全流程高效运行(图3)。

 

图3. 系统性优化NMHS当中能量流动的策略。(1).png

图3. 系统性优化NMHS当中能量流动的策略。

 

总结与展望:NMHS有潜力成为太阳能驱动生产化学品的清洁平台,这对于推动能源结构转型和实现人类社会可持续发展至关重要。通过本篇综述,我们回顾了该领域最新的研究进展,明确了NMHS后续发展所面临的挑战,提出了系统级别的解决方案和优化策略。以合成生物学技术为代表的现代科技手段可以在提高产品价值、丰富产物多样性和优化微生物生产效率等关键环节赋能NMHS,从而有效推动系统的持续迭代进化。一套具有实际应用价值的NMHS需要有机整合并充分协调所有有利因素,而高效能量流动的成功实现是NMHS能从实验室迈向工业生产的基石。

 

 

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所材料合成生物学研究中心(以下简称“深圳先进院合成所材料中心”)研究员钟超、副研究员王博、副研究员高翔以及助理研究员曾翠平为本文的共同通讯作者。深圳先进院合成所材料中心助理研究员梁俊,香港中文大学化学系博士肖可蒙,深圳先进院合成所材料中心副研究员王新宇为共同第一作者。深圳先进院合成所材料中心助理研究员侯天凤对本文撰写也做出重要贡献。

本工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市材料合成生物学重点实验室、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市自然科学基金、深圳合成生物学创新研究院等项目的经费支持。