杨培东团队Nat. Nanotech.：金纳米团簇杂化细菌，助力人工光合作用
光合作用是地球上生命存在的基础。科学家们一直在努力构造高效的人工光合作用体系，以应对严峻的能源和环境问题。近年来发展起来的一种策略是将人工合成材料和生命体系结合起来，利用合成材料提高光合作用关键蛋白或光合菌的性能，以实现高效率的人工光合作用。光合菌具有完整的二氧化碳（CO2）代谢通路，能够繁殖扩增且易于培养。相比于光合菌，一些非光合菌有着更易于编辑的代谢通路，意味着能够更可控地将二氧化碳转变为特定的有机物。
加州大学伯克利分校的杨培东教授（点击查看介绍）多年前开始就致力于发展无机材料和非光合菌杂化的体系用于人工光合作用，例如用硅纳米线阵列吸收太阳光，并将光生电子传递给负载在纳米线上的细菌Sporomusa ovata作为还原二氧化碳的能量来源。两年前，他们发现在培养液中加入Cd2+，非光合细菌Moorella thermoacetica 就能在细胞膜上自发生长出CdS纳米颗粒作为光敏剂产生光生电子用于固定二氧化碳（Science, 2016, 351, 74，点击阅读详细）。不过由于二氧化碳的固定发生在细胞质中，而在过去的体系中，光生电子都产生于细胞之外，在到达催化中心前需要穿过细胞膜，经过一系列电子传递过程，因而造成了额外的能量损失，也降低了催化效率。为了克服这个问题，在一项近期的研究中，杨培东教授团队将作为光敏剂的金纳米团簇（AuNC）穿透到细菌Moorella thermoacetica 内（下文称为杂化细菌），从而能直接在细菌内产生电子，用于二氧化碳的固定。相关成果发表在Nature Nanotechnology 上，共同第一作者为博士生Hao Zhang和Hao Liu博士（现任教于东华大学）。
图1. AuNC和细菌构成的杂化细菌用于人工光合作用。图片来源：Nat. Nanotech.
不同于之前的CdS纳米颗粒，AuNC和细菌杂化的方式是直接将水溶性的AuNC（主要是Au22(SG)18，G是谷胱甘肽）与细菌Moorella thermoacetica 一起培养。因为AuNC的尺寸不到2 nm，能够穿透细菌的细胞膜。经过2天的培养，超过95%的AuNC被细菌吸收，并且紫外可见吸收光谱表明AuNC的结构没有被破坏。在结构化照明显微镜（SIM）下，AuNC的荧光（540 nm）在细菌中的荧光分布均匀，说明AuNC在细菌内的是分布均匀的，没有发生聚集。作为对比，之前的CdS纳米颗粒生长在细胞膜外，因而荧光（408 nm）是环状分布的（图2d）。电镜和能谱的分析进一步支持了这个结论。
图2. 荧光和电子显微镜表明杂化细菌中AuNC均匀分布。图片来源：Nat. Nanotech.
此前的研究表明，该细菌能选择性地把二氧化碳转化为乙酸。在杂化细菌的光合作用研究中，作者选择用定量魔角核磁氢谱（1H-qNMR）对产物乙酸进行监测，同时用13C标记确认光合作用中C的流动。从图3a可以看到，杂化细菌在暗处几乎不生成乙酸，而在同等光照强度下，与AuNC杂化的细菌产生乙酸的速度甚至比与CdS杂化的细菌更快。进一步的，在没有二氧化碳时，AuNC杂化细菌能发出红色荧光（与纯的AuNC相似）；而有二氧化碳时，荧光几乎完全被淬灭，这说明后者的光生电子参与二氧化碳固定，而不是产生荧光。相应的，空穴被半胱氨酸淬灭，整个光合作用的反应是：
对光合作用更细致的研究发现，在间隔照明的条件下，基于AuNC的杂化细菌在没有光照时也能产生乙酸，因为光照时积累的代谢中间体继续被转化为乙酸。整个过程的量子产率约为2.86%，超过了基于CdS的杂化细菌。并且，由于乙酸并不能被细菌代谢，而天然的光合菌会在夜间通过呼吸作用将光合作用的产物消耗掉，因而人工光合作用的效率有望超过天然的光合作用。值得一提的是，在第3天后杂化细菌产生的乙酸的量就会达到饱和，需要补充额外的半胱氨酸才能让杂化细菌继续产生乙酸（参考上述光合作用的反应式）。
图3. AuNC杂化细菌（以及对照体系）的人工光合作用表征（产生的乙酸的量，量子产率以及光合作用对AuNC荧光的淬灭）。图片来源：Nat. Nanotech.
此前的体系中的光敏剂是CdS纳米颗粒，影响了细菌的生存。相比于CdS，AuNC具有较低的毒性和较高的生物相容性，这意味着相应的杂化细菌存活率会更高。实验结果表明，AuNC杂化细菌的存活率不仅高于CdS杂化的细菌，甚至高于普通细菌（图4a，b）。作者猜想这可能与AuNC淬灭活性氧的能力有关，于是用试剂盒检测了活性氧促发的荧光，发现在48小时的光照后，AuNC杂化细菌中的活性氧浓度比普通细菌低了1.8倍。
图4. 杂化细菌具有高生存率以及细菌中活性氧含量的表征。图片来源：Nat. Nanotech.
从沉淀在细胞膜上的CdS纳米颗粒到渗透到细胞质中的Au纳米团簇，不仅缩短了电子传递的距离，还提升了电子转移的效率和量子产率。得益于AuNC的低毒性和淬灭活性氧的能力，细菌的存活率也得到了提升。杨培东教授说到，这个策略既利用固态半导体的优越的吸收太阳光的能力，又发挥了细菌优越的催化能力。阿贡国家实验室Elena A. Rozhkova教授认为这个工作拓展了人们对生命体系中能量转移过程的认识，将表现出量子效应的纳米材料用到生命体系中的策略可以对其他生物技术有借鉴价值（Nat. Nanotech., 2018, 13, 880）。
值得一提的是，与本论文前后相差仅仅数日，该团队还和同在UC Berkeley的Omar M. Yaghi教授团队合作，在PNAS上报道了通过在厌氧菌Moorella thermoacetica 外包裹一层由金属有机框架（MOF）纳米片构成的超薄“防护服”，提高厌氧菌在氧气环境下的生存能力，提高杂化细菌光合作用的产率（PNAS, 2018, 115, 10582，
来源： X-MOL 时间： 2018-11-09
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