科研進(jìn)展

Chemical Reviews|半人工光合系統中的能量流動(dòng)

發(fā)布時(shí)間:2024-06-24 來(lái)源:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

6月21日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)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(jiǎn)稱(chēng)“深圳先進(jìn)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(zhù)名學(xué)術(shù)期刊Chemical Reviews聯(lián)合在線(xiàn)發(fā)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(yáng)能并轉化為化學(xué)能的過(guò)程與機理,對該體系相關(guān)研究的重要進(jìn)展和面臨的挑戰進(jìn)行了分析與總結,對未來(lái)發(fā)展方向和潛在應用領(lǐng)域進(jìn)行了思考與展望。



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

當今社會(huì )對于對可持續發(fā)展的需求正在不斷提升。半人工光合系統是近年來(lái)出現的多樣化利用太陽(yáng)光能的策略之一。該系統兼具自然與人工光合系統的優(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(jià)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(fā)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?xún)?yōu)勢。



雖然相關(guān)研究進(jìn)展迅速,絕大多數NMHS成功實(shí)例都因為能量轉換效率欠佳而無(wú)法投入實(shí)際應用。造成這一現象的主要原因是對NMHS復雜且瞬態(tài)的內在能量流動(dòng)過(guò)程缺乏系統性了解與分析,從而難以著(zhù)手進(jìn)行系統設計與優(yōu)化。在這篇綜述中,研究團隊通過(guò)梳理NMHS內部能量流動(dòng)過(guò)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(yōu)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(fā)光電子。光電子被微生物細胞直接或間接用于驅動(dòng)化學(xué)品生產(chǎn)。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(yōu)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?xún)?yōu)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(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胞膜進(jìn)入胞內驅動(dòng)代謝反應。該階段優(yōu)化工作應充分關(guān)注材料與細胞的結合方式(胞外懸浮、表面貼附、進(jìn)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(yōu)化策略包括構建人工傳遞途徑實(shí)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(guò)酶催化將光能轉換并儲存為產(chǎn)物分子的化學(xué)鍵能。驅動(dòng)關(guān)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(yōu)化策略應著(zhù)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(shù)、合成生物學(xué)、高通量與自動(dòng)化、機器學(xué)習和人工智能等最新技術(shù)實(shí)現從機理解析、系統設計、實(shí)驗操作到數據分析的全流程高效運行(圖3)。



圖3. 系統性?xún)?yōu)化NMHS當中能量流動(dòng)的策略。



NMHS有潛力成為太陽(yáng)能驅動(dòng)生產(chǎn)化學(xué)品的清潔平臺,這對于推動(dòng)能源結構轉型和實(shí)現人類(lèi)社會(huì )可持續發(fā)展至關(guān)重要。通過(guò)本篇綜述,研究團隊回顧了該領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展,明確了NMHS后續發(fā)展所面臨的挑戰,提出了系統級別的解決方案和優(yōu)化策略。以合成生物學(xué)技術(shù)為代表的現代科技手段可以在提高產(chǎn)品價(jià)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)節賦能NMHS,從而有效推動(dòng)系統的持續迭代進(jìn)化。一套具有實(shí)際應用價(jià)值的NMHS需要有機整合并充分協(xié)調所有有利因素,而高效能量流動(dòng)的成功實(shí)現是NMHS能從實(shí)驗室邁向工業(yè)生產(chǎn)的基石。

深圳先進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)院合成所材料中心助理研究員侯天鳳對本文撰寫(xiě)也做出重要貢獻。

本工作獲得了科技部重點(diǎn)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(diǎn)實(shí)驗室、廣東省基礎與應用基礎研究基金、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。



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