打造人工光合体系，为制备生物基化学品提供新思路

如何更好的构建细菌和材料的生物界面，实现更高效的光能转化效率？ 新加坡国立大学助理教授林艺良和其合作者提供了新的思路。

前不久，林艺良等人构建了一种新型半人工光合体系，让合成的半导体材料在物理空间上靠近细菌内膜上的氧化呼吸链， 使半导体吸收光能产生的电子更易进入呼吸链，将电子转变成细菌的生物能。

（来源：Science Advances）

具体来说，他们利用大肠杆菌生物矿化的原理，在细菌周质空间（位于细菌内外膜之间的狭窄空间）定向合成半导体纳米颗粒，有利于半导体所产生的光生电子进入氧化呼吸链并传递，进而驱动三磷酸腺苷的合成。

目前，多种重要化学品生物的合成，都需要消耗大量的三磷酸腺苷。而三磷酸腺苷又是一种细菌体内的供能物质。生物细胞内三磷酸腺苷的供应不足，往往是这些化学品合成速度较慢的原因之一。

而此次构建的周质空间材料-细菌杂合体平台，可以有效吸收光能从而转化成三磷酸腺苷，故能以经济有效的方式生产生物基化学品、燃料和药物分子，还可以潜在地用于重金属污染的修复。

相关论文的评审专家表示：“这个新建的人工体系巧妙地并实用地将重金属和微生物这些废物重新融入到功能性的生命系统中。这篇论文是材料科学、半导体技术与合成生物学多学科交叉的概念验证。

　　（来源：Science Advances）

目前，一种新的人工体系（“人工光细胞”）是通过将高效吸收光能的半导体材料与高选择性催化的活细胞集成，利用微生物优异的胞内催化能力将半导体吸收的光能转化为化学能，可潜在克服自然和人工光合作用的局限性，实现自修复、低成本的高转化效率。

事实上， 细菌合成纳米颗粒并不是一个新的现象，此前已有不少学者研究过细菌合成纳米颗粒的现象和机理。

为了验证在周质空间构建的生物界面是否能够提高细菌的能量代谢和合成，课题组着手开展了一系列实验。他们发现在光照条件下周质空间中含有硫化镉的杂合细菌能够比普通细菌显著性地合成更多的三磷酸腺苷（ATP），暗示了硫化镉能和细菌的氧化呼吸链进行耦合。

林艺良表示：“田博之教授和团队之前主要聚焦于设计硅纳米材料，并研究其在神经细胞和心肌细胞以及对应的组织方面的生物调控，此前并未涉及到细菌半人工光合。但是，他非常支持这个工作，并指导我们将一些细胞体系的材料界面设计思路引入细菌体系之中。”

尽管几位主力人员，目前分散在不同的国家。但是，后续他们将进一步致力于提升半导体光生电子进入氧化呼吸链的效率，例如通过对细菌进行改造，构建人工电子通道，让更多的电子进入胞内与生物电子交汇，并转换为生物能。

（来源：Science Advances）

2022 年底，林艺良入职新加坡国立大学化学与生物工程学系，担任助理教授和独立 PI。“在这边我建立了独立课题组，目前正在杂合体等方向的进一步开展科研工作。”他说；“ 开发与应用生物杂合体，需集结不同科研领域的智慧共同创新，碰撞出独特的思维火花。 我们热切期待不同背景的博士生、硕士生、博士后及访问学者加入，与我们一起探索与深挖这一领域！”