利用源源不斷的太陽能量，從地球上豐富的分子（例如二氧化碳）中有效合成更高價值的化學品，是相關領域的科學家們一直在探索的重要課題。近幾年來，他們的研究主要聚焦在微生物和無機半導體的復合體系上。
其原因在於，該體系結合了微生物協調複雜化學轉化的能力和無機半導體的高捕光效率，能夠作為一種新型的清潔能源，直接把光能轉化為燃料或一些有用的生物質。並且，由於吸取了微生物和半導體各自的優點，該體系具有非常高的能源轉化效率和選擇性。
比如，如下圖所示，在「解耦生物混合體」中，基於半導體的光伏發電電解水以產生氫氣，然後把氫氣喂給自養石炭酸細菌，以將二氧化碳固定為高附加值化學品（如生物質、異丙醇和甲烷）。
圖丨用於能量轉換的解耦和集成生物混合體（來源：Nature Chemistry）
不過，因為該體系中微生物和半導體之間存在豐富的能源轉化途徑，即電子在介面上的傳遞過程複雜且不均勻，所以採用傳統的手段難以清晰地攻克其中的機理問題。
近期，來自美國康奈爾大學的研究團隊，開發了一種新型多功能成像工具，能夠通過比較細胞中各種酶的濃度，也就是研究細胞接收電子的酶濃度和細胞接收電子能力的相關性，從而清楚地判斷單細胞層面的能源轉化途徑。
具體來說，由於能夠同時兼容光學成像和電化學成像，因此該工具具備兩個功能，其一是定量單個細胞中酶的濃度，其二是定量單個細胞接收電子和給出電子的能力。據了解，能對同一細胞中的兩個量進行關聯，是此前同類工具無法做到的。
基於這一工具，該課題組對革蘭陰性菌富營養化羅氏菌進行了研究。需要說明的是，這種細菌曾被用於解耦生物混合體中，可以使用氫氣作為唯一能源，將二氧化碳固定到生物塑料聚羥基丁酸酯中。
他們剖析了在氫氣和二氧化碳條件下生長的細胞中膜結合酶和可溶性氫化酶對聚羥基丁酸酯形成的不同作用，發現該細菌從不同能級的半導體光電電極中吸收電子的能力達到了納安培級。
「從工具發展的層面上說，這是一個具有普適性的新工具，不僅僅能在細菌和半導體中得到應用，還可以推廣到與介面相關的任何微生物和無機材料中，比如真菌或真核細胞。」談到該項研究的核心意義，康奈爾大學博士後傅冰（現香港城市大學助理教授）表示。
康奈爾大學博士後毛獻文（現新加坡國立大學助理教授）則強調：「從科學發展的方向講，我們發現微生物具有非常大的潛力，只是其能源轉化的途徑過於複雜，也從未被優化。這給合成生物學家提供了一個啟示，如果能進一步優化微生物的代謝途徑，就可以高效地利用太陽能合成更多目標產品的原材料，比如燃料、生物質等。」
圖丨團隊合照（來源：該團隊）
近日，相關論文以《單細胞多模態成像揭示雜交生物中的能量轉換途徑》（Single-cell multimodal imaging uncovers energy conversion pathways in biohybrids）為題在 Nature Chemistry 上發表 [1]。
圖丨相關論文（來源：Nature Chemistry）
傅冰和毛獻文為該論文的共同第一作者，康奈爾大學陳鵬教授擔任論文的通訊作者。
據了解，生物和無機半導體材料是陳鵬課題組的兩個主要研究方向。傅冰專注於前者，毛獻文則聚焦於後者。因為該研究涉及到了上述兩個方向，所以兩位博士後在各自發揮專長的基礎上，協同性地開展合作。
具體到分工，傅冰主要負責解耦樣品細菌，並進行基因工程方面的標記和基因敲除等工作，以實現在基因水平上對細菌的操縱；毛獻文主要負責無機材料和材料合成等方面的工作。
「因為我們需要一起合作搭建這個雜化的復合體系，所以在做好各自工作的同時，也需要了解對方在做的工作內容和遇到的難題，並想辦法找到一個好的結合點，這也是我們合作過程中最有意思的一個部分。」傅冰表示。
基於當下的研究成果，他們接下來打算更換不同的能源轉化過程，進一步研究無機材料和其他微生物之間的結合，希望可以發現更多有趣的現象和規律。據陳鵬介紹，目前其帶領的團隊中，就有成員正在利用其他微生物開展固氮方面的研究。
參考資料：
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