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中国科学家利用细菌生物被膜开发可持续半人工光合体系

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图: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


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。植物或藻类通过光合作用利用光能,将二氧化碳和水转化为有机物。近年来诞生的半人工光合作用原理与其类似,结合了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各种有用化学品生产。


半人工光合作用系统中通常采用半导体作为吸光材料,然而在反应过程中存在吸光材料与生物细胞不兼容,导致反应体系稳定性差、光能利用效率差、细胞难以再生循环等一系列问题。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。


近日,中国科学院深圳先进技术研究院科研团队在《Science Advances》上发表题为“Photocatalyst-mineralized biofilms as living bio-abiotic interfaces for single enzyme to whole-cell photocatalytic applications”的研究论文,利用工程改造的大肠杆菌生物被膜原位矿化作用,构建了全新的生物-半导体兼容界面,并基于此实现了从单酶到全细胞尺度上可循环光催化反应。


研究人员首先对大肠杆菌菌毛蛋白亚基(CsgA)进行了合成生物学改造,将矿化短肽A7和CsgA蛋白融合表达并分泌,赋予生物被膜原位矿化的能力。如图所示,在生物被膜表面原位矿化硫化镉纳米颗粒(CdS纳米颗粒),获得了光催化剂矿化的生物被膜。进一步光电性质表征和光照对照实验表明,利用生物被膜矿化的CdS保持着半导特性,同时通过生物被膜使半导材料和细胞发生物理隔离,可以起到保护细胞的作用。


该研究展示了无机材料和生物体系的无缝整合,未来通过进一步改造微生物的代谢通路,可以实现高附加值经济化学分子的生成。由于微生物体系具备自我再生的能力,同时生物被膜体系易于放大生产,因此,该方法有望为实现可持续的规模化光催化应用提供新的思路。


论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7665


注:此研究成果摘自《Science Advances》杂志,文章内容不代表本网站观点和立场,仅供参考。


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