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2024年6月21日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所材料合成生物學(xué)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(xué)術(shù)期刊Chemical Reviews聯(lián)合在線發(fā)表綜述文章“Revisiting solar energy flow in nanomaterial-microorganism hybrid systems”，該論文被選為封面文章。文章從系統(tǒng)層面論述了納米材料-微生物雜合體系捕獲太陽能并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程與機理，對該體系相關(guān)研究的重要進展和面臨的挑戰(zhàn)進行了分析與總結(jié)，對未來發(fā)展方向和潛在應(yīng)用領(lǐng)域進行了思考與展望。

王博團隊此前曾發(fā)表綜述對半人工光合領(lǐng)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(lǐng)域進行了更深層次認(rèn)識、思考與總結(jié)。

當(dāng)今社會對于對可持續(xù)發(fā)展的需求正在不斷提升。半人工光合系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的多樣化利用太陽光能的策略之一。該系統(tǒng)兼具自然與人工光合系統(tǒng)的優(yōu)勢（圖1），在清潔能源生產(chǎn)、碳減排、綠色化學(xué)品生產(chǎn)等領(lǐng)域具有不可忽視的潛在價值。相比之下，基于半導(dǎo)體納米材料-微生物活細(xì)胞雜合體系（Nanomaterial-microbial hybrid system, NMHS）構(gòu)建的半人工光合系統(tǒng)最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1. 自然光合系統(tǒng)、半人工光合系統(tǒng)和人工光合系統(tǒng)的主要特征以及獨特優(yōu)勢。

雖然相關(guān)研究進展迅速，絕大多數(shù)NMHS成功實例都因為能量轉(zhuǎn)換效率欠佳而無法投入實際應(yīng)用。造成這一現(xiàn)象的主要原因是對NMHS復(fù)雜且瞬態(tài)的內(nèi)在能量流動過程缺乏系統(tǒng)性了解與分析，從而難以著手進行系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。在這篇綜述中，我們通過梳理NMHS內(nèi)部能量流動過程（光能捕獲-跨膜能量傳遞-能量轉(zhuǎn)化），針對當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)并提出合理的優(yōu)化方案。

在光能捕獲階段，半導(dǎo)體納米材料吸收光子能量激發(fā)光電子。光電子被微生物細(xì)胞直接或間接用于驅(qū)動化學(xué)品生產(chǎn)。納米材料的能帶結(jié)構(gòu)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(yōu)化策略應(yīng)綜合考慮光照條件和材料的生物安全性，對包括調(diào)節(jié)材料能帶結(jié)構(gòu)以優(yōu)化捕光范圍和催化活性，強化材料和細(xì)胞的光耐受水平以適應(yīng)更高的光強，以及優(yōu)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(xì)胞膜進入胞內(nèi)驅(qū)動代謝反應(yīng)。該階段優(yōu)化工作應(yīng)充分關(guān)注材料與細(xì)胞的結(jié)合方式（胞外懸浮、表面貼附、進入胞內(nèi)）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(yōu)化策略包括構(gòu)建人工傳遞途徑實現(xiàn)高效能量跨膜，強化材料和細(xì)胞的結(jié)合程度（貼附或胞內(nèi)富集），緩解胞內(nèi)材料對微生物活性的影響，以及構(gòu)建胞內(nèi)材料和目標(biāo)酶之間的特異性親和力。

在能量轉(zhuǎn)化階段，微生物細(xì)胞通過酶催化將光能轉(zhuǎn)換并儲存為產(chǎn)物分子的化學(xué)鍵能。驅(qū)動關(guān)鍵代謝途徑的目標(biāo)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(yōu)化策略應(yīng)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(gòu)建材料和目標(biāo)酶之間的高特異性能量傳遞與轉(zhuǎn)化途徑。

圖2. 當(dāng)前報道的典型NMHS當(dāng)中半導(dǎo)體納米材料的能帶結(jié)構(gòu)。

我們還從系統(tǒng)性角度分析了當(dāng)前NMHS所面臨的挑戰(zhàn)并提出了相應(yīng)的應(yīng)對方案，包括利用現(xiàn)代儀器分析技術(shù)、合成生物學(xué)、高通量與自動化、機器學(xué)習(xí)和人工智能等最新技術(shù)實現(xiàn)從機理解析、系統(tǒng)設(shè)計、實驗操作到數(shù)據(jù)分析的全流程高效運行（圖3）。

圖3. 系統(tǒng)性優(yōu)化NMHS當(dāng)中能量流動的策略。

總結(jié)與展望

NMHS有潛力成為太陽能驅(qū)動生產(chǎn)化學(xué)品的清潔平臺，這對于推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。通過本篇綜述，我們回顧了該領(lǐng)域最新的研究進展，明確了NMHS后續(xù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，提出了系統(tǒng)級別的解決方案和優(yōu)化策略。以合成生物學(xué)技術(shù)為代表的現(xiàn)代科技手段可以在提高產(chǎn)品價值、豐富產(chǎn)物多樣性和優(yōu)化微生物生產(chǎn)效率等關(guān)鍵環(huán)節(jié)賦能NMHS，從而有效推動系統(tǒng)的持續(xù)迭代進化。一套具有實際應(yīng)用價值的NMHS需要有機整合并充分協(xié)調(diào)所有有利因素，而高效能量流動的成功實現(xiàn)是NMHS能從實驗室邁向工業(yè)生產(chǎn)的基石。

本工作獲得了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市材料合成生物學(xué)重點實驗室、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市自然科學(xué)基金、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項目的經(jīng)費支持。

研究團隊

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所材料合成生物學(xué)研究中心（以下簡稱“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(xué)化學(xué)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。

論文信息

發(fā)布期刊 Chemical Reviews

發(fā)布時間 2024年6月20日

文章標(biāo)題 Revisiting solar energy flow in nanomaterial-microorganism hybrid systems

（https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00831）

研究團隊 | 作者

酥魚 | 編輯

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