矿化生物膜作为单酶到全细胞光催化应用的生物-半导体兼容界面

2022-11-21
摘要:本文展示了使用生物膜基质构建生物相容性界面,并为未来的可持续光催化应用建立了概念证明

DOI:10.1126/sciadv.abm7665

杂志:Science Advances

Online:May 2022

通讯作者:钟超,上海科技大学



研究背景


随着全球能源和环境问题的不断加剧,可再生清洁能源的开发,特别是太阳能的转化利用吸引了全球研究人员的关注。半人工光合作用是近年来诞生的新兴研究领域,结合生物体系的高产物选择性和半导材料的优异吸光性,能够实现太阳能驱动的燃料分子和化学品生产(例如利用光能驱动二氧化碳固定生成化学分子)。为了在微纳尺度实现细菌和半导体材料的界面整合,当前通常的方法是将半导体纳米材料固定在细菌的外膜表面或通过细菌内吞作用实现半导体材料和胞内酶的接触。然而由于细胞和半导体材料直接接触,光照下半导体材料的光生空穴对细胞将造成永久性损害,从而严重影响反应体系的稳定性和可循环利用性。因此,如何构建牢固、友好的生物-半导兼容界面一直是该领域的重要挑战之一。



研究摘要


将活细胞与无机半导体结合以构建半人工光合作用系统的趋势越来越明显。创建稳健且良性的生物非生物界面是这种太阳能到化学转化成功的关键,但通常面临各种挑战,包括生物相容性和细胞膜对直接界面接触引起的高能损伤的敏感性。在这里,报告了活矿化生物膜作为超稳定和生物相容的生物非生物界面,以实现单酶到全细胞光催化应用。这些光催化剂矿化生物膜表现出高效的光电响应,并进一步用于各种光催化反应体系,包括全细胞光催化CO2由相同的生物膜产生菌株启用的还原系统。细菌与细胞外矿化半导体分离,即使在5个光催化NADH再生反应循环后仍存活,并且生物膜可以很容易地再生。本文展示了使用生物膜基质构建生物相容性界面,并为未来的可持续光催化应用建立了概念证明。


研究内容


研究内容一:CsgA进行合成生物学改造


在具体的研究当中,研究人员首先对CsgA进行了合成生物学改造,将矿化短肽A7CsgA蛋白融合表达并分泌,赋予生物被膜原位矿化的能力。如图1所示,通过在生物被膜表面原位矿化CdS纳米颗粒,获得了光催化剂矿化的生物被膜。结合纯化的异亮氨酸脱氢酶或胞内表达的甲酸脱氢酶,可以实现从单酶到全细胞的光催化反应体系。


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光催化剂矿化活体生物被膜构建半人工光合作用体系示意图
研究内容二:光电性质表征
通过透射电镜高分辨元素成像,可以看出纳米颗粒的元素组成确实包括Cd元素和S元素。进一步对该材料的光电性质表征后发现,利用生物被膜矿化的CdS保持着半导特性,并且光生电子可以传递到电极或者电子传递介质甲基紫精。为了验证生物被膜对细胞的保护作用,研究人员构建了表面展示矿化肽段的对照菌株。在同样的条件进行矿化后进行光照,表面展示矿化的菌株存活率更低,大部分菌株已经发生了破裂;而含有生物被膜的菌株大部分都存活并保持着完整的形貌,研究表明通过生物被膜使半导材料和细胞发生物理隔离,确实可以起到保护细胞的作用。
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CdS NPs矿化的功能性生物膜的表征

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光催化剂矿化生物膜的光电特性


研究内容三:矿化生物被膜实现重要辅酶NADH的再生

在光照条件下,矿化生物被膜可以实现重要辅酶NADH的再生。通过异亮氨酸脱氢酶(LDH)的加入,就可以利用光能将三甲基丙酮酸还原,选择性的生成L-异亮氨酸。研究人员进一步通过工程改造,实现了大肠杆菌同时表达生物被膜和甲酸脱氢酶,使工程大肠杆菌具备矿化和固定二氧化碳的能力。利用碳酸氢钠作为二氧化碳的来源,成功实现了光催化还原二氧化碳生成甲酸的概念验证。与化学合成的CdS纳米颗粒相比,矿化的CdS表现出了更优异的催化效率。可能的原因是因为化学合成的纳米颗粒需要配体来稳定,从而阻碍了活性位点的暴露。


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用纯化的LDH酶光催化还原TMPl-叔亮氨酸偶联



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