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      3. 科研進展

        Chemical Reviews|半人工光合系統中的能量流動

        發布時間:2024-06-24 來源:深圳先進技術研究院

        6月21日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所材料合成生物學研究中心(以下簡稱“深圳先進院合成所材料中心”)王博團隊、高翔團隊和鐘超團隊在國際著名學術期刊Chemical Reviews聯合在線發表綜述文章Revisiting solar energy flow in nanomaterial-microorganism hybrid systems”。文章從系統層面論述了納米材料-微生物雜合體系捕獲太陽能并轉化為化學能的過程與機理,對該體系相關研究的重要進展和面臨的挑戰進行了分析與總結,對未來發展方向和潛在應用領域進行了思考與展望。



        文章上線截圖



        王博團隊此前曾發表綜述對半人工光合領域進展進行了回顧與展望Energy Environ. Sci. 2022,15,529-549.),本篇文章針對該領域進行了更深層次認識、思考與總結。

        當今社會對于對可持續發展的需求正在不斷提升。半人工光合系統是近年來出現的多樣化利用太陽光能的策略之一。該系統兼具自然與人工光合系統的優勢(圖1),在清潔能源生產、碳減排、綠色化學品生產等領域具有不可忽視的潛在價值。相比之下,基于半導體納米材料-微生物活細胞雜合體系(Nanomaterial-microbial hybrid system,NMHS)構建的半人工光合系統最具發展潛力。



        圖1. 自然光合作用、半人工光合作用和人工光合作用的主要特征以及各自優勢。



        雖然相關研究進展迅速,絕大多數NMHS成功實例都因為能量轉換效率欠佳而無法投入實際應用。造成這一現象的主要原因是對NMHS復雜且瞬態的內在能量流動過程缺乏系統性了解與分析,從而難以著手進行系統設計與優化。在這篇綜述中,研究團隊通過梳理NMHS內部能量流動過程(光能捕獲-跨膜能量傳遞-能量轉化),針對當前研究面臨的挑戰并提出合理的優化方案。

        在光能捕獲階段,半導體納米材料吸收光子能量激發光電子。光電子被微生物細胞直接或間接用于驅動化學品生產。納米材料的能帶結構決定了材料的捕光范圍和光電子的催化活性(圖2)。對于這一階段的優化策略應綜合考慮光照條件和材料的生物安全性,對包括調節材料能帶結構以優化捕光范圍和催化活性,強化材料和細胞的光耐受水平以適應更高的光強,以及優化納米材料的生物安全性以降低其對微生物的損害。在跨膜能量傳遞階段,納米材料捕獲的光能需要跨越細胞膜進入胞內驅動代謝反應。該階段優化工作應充分關注材料與細胞的結合方式(胞外懸浮、表面貼附、進入胞內)和能量跨膜傳遞模式(電子直接傳遞、借助電子介體或氫氣等)。優化策略包括構建人工傳遞途徑實現高效能量跨膜,強化材料和細胞的結合程度(貼附或胞內富集),緩解胞內材料對微生物活性的影響,以及構建胞內材料和目標酶之間的特異性親和力。在能量轉化階段,微生物細胞通過酶催化將光能轉換并儲存為產物分子的化學鍵能。驅動關鍵代謝途徑的目標酶可以從輔因子(NAD(P)H或ATP)、納米材料或載體獲取能量。該階段的優化策略應著眼于降低能量耗散,包括強化微生物對輔因子的利用效率,強化整微生物對特異性載體(比如H2和甲酸)的代謝活性,以及構建材料和目標酶之間的高特異性能量傳遞與轉化途徑。



        圖2. 典型NMHS當中半導體納米材料的能帶結構。



        研究團隊還從系統性角度分析了當前NMHS所面臨的挑戰并提出了相應的應對方案,包括利用現代儀器分析技術、合成生物學、高通量與自動化、機器學習和人工智能等最新技術實現從機理解析、系統設計、實驗操作到數據分析的全流程高效運行(圖3)。



        圖3. 系統性優化NMHS當中能量流動的策略。



        NMHS有潛力成為太陽能驅動生產化學品的清潔平臺,這對于推動能源結構轉型和實現人類社會可持續發展至關重要。通過本篇綜述,研究團隊回顧了該領域最新的研究進展,明確了NMHS后續發展所面臨的挑戰,提出了系統級別的解決方案和優化策略。以合成生物學技術為代表的現代科技手段可以在提高產品價值、豐富產物多樣性和優化微生物生產效率等關鍵環節賦能NMHS,從而有效推動系統的持續迭代進化。一套具有實際應用價值的NMHS需要有機整合并充分協調所有有利因素,而高效能量流動的成功實現是NMHS能從實驗室邁向工業生產的基石。

        深圳先進院合成所材料中心研究員鐘超、副研究員王博、副研究員高翔,以及助理研究員曾翠平為本文的共同通訊作者。深圳先進院合成所材料中心助理研究員梁俊,香港中文大學化學系博士肖可蒙,深圳先進院合成所材料中心副研究員王新宇為共同第一作者。深圳先進院合成所材料中心助理研究員侯天鳳對本文撰寫也做出重要貢獻。

        本工作獲得了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、深圳市材料合成生物學重點實驗室、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市自然科學基金、深圳合成生物學創新研究院等項目的經費支持。



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