利用源源不断的太阳能量，从地球上丰富的分子（例如二氧化碳）中有效合成更高价值的化学品，是相关领域的科学家们一直在探索的重要课题。近几年来，他们的研究主要聚焦在微生物和无机半导体的复合体系上。
其原因在于，该体系结合了微生物协调复杂化学转化的能力和无机半导体的高捕光效率，能够作为一种新型的清洁能源，直接把光能转化为燃料或一些有用的生物质。并且，由于吸取了微生物和半导体各自的优点，该体系具有非常高的能源转化效率和选择性。
比如，如下图所示，在“解耦生物混合体”中，基于半导体的光伏发电电解水以产生氢气，然后把氢气喂给自养石炭酸细菌，以将二氧化碳固定为高附加值化学品（如生物质、异丙醇和甲烷）。
图丨用于能量转换的解耦和集成生物混合体（来源：Nature Chemistry）
不过，因为该体系中微生物和半导体之间存在丰富的能源转化途径，即电子在界面上的传递过程复杂且不均匀，所以采用传统的手段难以清晰地攻克其中的机理问题。
近期，来自美国康奈尔大学的研究团队，开发了一种新型多功能成像工具，能够通过比较细胞中各种酶的浓度，也就是研究细胞接收电子的酶浓度和细胞接收电子能力的相关性，从而清楚地判断单细胞层面的能源转化途径。
具体来说，由于能够同时兼容光学成像和电化学成像，因此该工具具备两个功能，其一是定量单个细胞中酶的浓度，其二是定量单个细胞接收电子和给出电子的能力。据了解，能对同一细胞中的两个量进行关联，是此前同类工具无法做到的。
基于这一工具，该课题组对革兰阴性菌富营养化罗氏菌进行了研究。需要说明的是，这种细菌曾被用于解耦生物混合体中，可以使用氢气作为唯一能源，将二氧化碳固定到生物塑料聚羟基丁酸酯中。
他们剖析了在氢气和二氧化碳条件下生长的细胞中膜结合酶和可溶性氢化酶对聚羟基丁酸酯形成的不同作用，发现该细菌从不同能级的半导体光电电极中吸收电子的能力达到了纳安培级。
“从工具发展的层面上说，这是一个具有普适性的新工具，不仅仅能在细菌和半导体中得到应用，还可以推广到与界面相关的任何微生物和无机材料中，比如真菌或真核细胞。”谈到该项研究的核心意义，康奈尔大学博士后傅冰（现香港城市大学助理教授）表示。
康奈尔大学博士后毛献文（现新加坡国立大学助理教授）则强调：“从科学发展的方向讲，我们发现微生物具有非常大的潜力，只是其能源转化的途径过于复杂，也从未被优化。这给合成生物学家提供了一个启示，如果能进一步优化微生物的代谢途径，就可以高效地利用太阳能合成更多目标产品的原材料，比如燃料、生物质等。”
图丨团队合照（来源：该团队）
近日，相关论文以《单细胞多模态成像揭示杂交生物中的能量转换途径》（Single-cell multimodal imaging uncovers energy conversion pathways in biohybrids）为题在 Nature Chemistry 上发表 [1]。
图丨相关论文（来源：Nature Chemistry）
傅冰和毛献文为该论文的共同第一作者，康奈尔大学陈鹏教授担任论文的通讯作者。
据了解，生物和无机半导体材料是陈鹏课题组的两个主要研究方向。傅冰专注于前者，毛献文则聚焦于后者。因为该研究涉及到了上述两个方向，所以两位博士后在各自发挥专长的基础上，协同性地开展合作。
具体到分工，傅冰主要负责解耦样品细菌，并进行基因工程方面的标记和基因敲除等工作，以实现在基因水平上对细菌的操纵；毛献文主要负责无机材料和材料合成等方面的工作。
“因为我们需要一起合作搭建这个杂化的复合体系，所以在做好各自工作的同时，也需要了解对方在做的工作内容和遇到的难题，并想办法找到一个好的结合点，这也是我们合作过程中最有意思的一个部分。”傅冰表示。
基于当下的研究成果，他们接下来打算更换不同的能源转化过程，进一步研究无机材料和其他微生物之间的结合，希望可以发现更多有趣的现象和规律。据陈鹏介绍，目前其带领的团队中，就有成员正在利用其他微生物开展固氮方面的研究。
参考资料：
1.Fu, B., Mao, X., Park, Y. et al. Single-cell multimodal imaging uncovers energy conversion pathways in biohybrids. Nature Chemistry. 15, 1400–1407 (2023). https://doi.org/10.1038/s41557-023-01285-z