如何更好的構建細菌和材料的生物介面，實現更高效的光能轉化效率？新加坡國立大學助理教授林藝良和其合作者提供了新的思路。
圖 | 林藝良（來源：林藝良）
前不久，林藝良等人構建了一種新型半人工光合體系，讓合成的半導體材料在物理空間上靠近細菌內膜上的氧化呼吸鏈，使半導體吸收光能產生的電子更易進入呼吸鏈，將電子轉變成細菌的生物能。
（來源：Science Advances）
具體來說，他們利用大腸桿菌生物礦化的原理，在細菌周質空間（位於細菌內外膜之間的狹窄空間）定向合成半導體納米顆粒，有利於半導體所產生的光生電子進入氧化呼吸鏈並傳遞，進而驅動三磷酸腺苷的合成。
目前，多種重要化學品生物的合成，都需要消耗大量的三磷酸腺苷。而三磷酸腺苷又是一種細菌體內的供能物質。生物細胞內三磷酸腺苷的供應不足，往往是這些化學品合成速度較慢的原因之一。
而此次構建的周質空間材料-細菌雜合體平台，可以有效吸收光能從而轉化成三磷酸腺苷，故能以經濟有效的方式生產生物基化學品、燃料和藥物分子，還可以潛在地用於重金屬污染的修復。
相關論文的評審專家表示：「這個新建的人工體系巧妙地並實用地將重金屬和微生物這些廢物重新融入到功能性的生命系統中。這篇論文是材料科學、半導體技術與合成生物學多學科交叉的概念驗證。
（來源：Science Advances）
讓光生電子高效進入氧化呼吸鏈
據了解，人工光合作用是通過模仿自然界中的光合作用從而實現對太陽能的轉化、存儲和利用，但是其通常是以昂貴的不能自修復的半導體作為代價。
目前，一種新的人工體系（「人工光細胞」）是通過將高效吸收光能的半導體材料與高選擇性催化的活細胞集成，利用微生物優異的胞內催化能力將半導體吸收的光能轉化為化學能，可潛在克服自然和人工光合作用的局限性，實現自修復、低成本的高轉化效率。
其中，高選擇性催化的活細胞例如細菌可利用胞內的生物電子沿著位於細胞內膜上的氧化呼吸鏈向下游傳遞，在內膜建立跨膜質子梯度，從而驅動三磷酸腺苷（ATP, Adenosine triphosphate）合酶產生三磷酸腺苷，實現能量的儲存。
然而，半導體材料吸收光能所產生的電子極難進入胞內由於細胞膜磷脂雙分子層絕緣性，因此，如何讓光生電子高效進入氧化呼吸鏈並進行傳遞，是目前亟需解決的問題。周質空間，是位於細菌內膜和細胞外膜之間的狹窄空間。
據此該團隊設想：是否能在細菌的周質空間之中，以定向的方式光電導半導體材料，以幫助光生電子進入氧化呼吸鏈並進行傳遞，進而驅動三磷酸腺苷的合成？
事實上，細菌合成納米顆粒並不是一個新的現象，此前已有不少學者研究過細菌合成納米顆粒的現象和機理。
但是，以前的納米顆粒合成往往是在細菌表面或在細菌胞質內，鮮少看到這種在周質空間之內的定向合成。研究團隊巧妙地通過大腸桿菌在胞內利用半胱氨酸（Cys，cysteine）合成硫化氫（H2S）, 由於硫化氫具有極高的膜通透性，因此可以快速擴散至周質空間內並與攝入到周質空間的 Cd2+ 反應，形成相應的具有光電效應的 CdS 納米顆粒。
通過掃描電鏡和透射電鏡的觀察，研究團隊驗證了這些硫化鎘納米顆粒大部分都位於周質空間內。相比在細菌表面合成的納米顆粒，在周質空間之內合成的納米顆粒的光生電子，可以有效規避電子在細菌外膜跨膜傳輸中所產生的損耗，從而提高傳輸效率。
為了驗證在周質空間構建的生物介面是否能夠提高細菌的能量代謝和合成，課題組著手開展了一系列實驗。他們發現在光照條件下周質空間中含有硫化鎘的雜合細菌能夠比普通細菌顯著性地合成更多的三磷酸腺苷（ATP），暗示了硫化鎘能和細菌的氧化呼吸鏈進行耦合。
為了更進一步地證明所合成的三磷酸腺苷，能被雜合體細菌代謝利用和進行能量轉化，他們選擇了蘋果酸合成體系，一個需要 ATP 賦能的體系。他們發現，在光照條件之下，雜合細菌能顯著提高蘋果酸的合成，這就證實了細菌確實可以利用先前檢測到的多合成的 ATP 進行化合物的合成。
（來源：Science Advances）
新的問題接踵而至
觀察到上述令人興奮的新現象之後，一系列科學層面的疑問接踵而至。
比如，為什麼硫化鎘會在周質空間之內合成？這一現象背後的機理是什麼？這個周質空間合成的體系能否擴展到其他納米顆粒的合成？
帶著這些問題，該團隊從材料學和生物學的角度開展機理探究。
在材料學層面上，他們使用一系列表征手段證明了硫化物在周質空間之內的合成和分布，並發現所合成的硫化物納米顆粒具有很低的結晶度，其不僅能和細菌很好地復合，而且具備螢光的特性。另外，從雜合體分離出來的這些納米顆粒，又可以形成結晶度非常高的量子點。
在生物學層面上，他們使用基因組方法來探究雜合體合成過程中金屬離子的運輸、半胱氨酸的代謝、外排泵等相關基因的表達及其和納米顆粒形成的關係。
同時，他們還將該體系加以拓展。在相似的培養條件下，細菌也能很好地利用其他重金屬離子例如汞離子和鉛離子，從而合成對應元素的納米顆粒、以及對應元素的雜合體。
據介紹，這是林藝良之前在美國芝加哥大學做博士後期間的一項成果。當時，他和高翔都在該校的田博之教授課題組做博後。事實上，在林藝良開展本次課題之前，林藝良更多的是專注於材料學和介面設計。
而同組的同事高翔（現中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所副研究員）主要是合成生物學背景。通過不同學科背景的思維碰撞和討論，兩人決定從材料和生物結合的角度來探索一條具有普適性的雜合體構建思路。
林藝良表示：「田博之教授和團隊之前主要聚焦於設計矽納米材料，並研究其在神經細胞和心肌細胞以及對應的組織方面的生物調控，此前並未涉及到細菌半人工光合。但是，他非常支持這個工作，並指導我們將一些細胞體系的材料介面設計思路引入細菌體系之中。」
林藝良說：「研究中，我和組裡面的博士生史久昀主要負責材料學方面的表征和測試，高翔和岳繼平同事則從生物學角度提供了關於相關現象的機理解釋。在大家的合力之下，完成了本次成果。」
最終，相關論文以（ Periplasmic biomineralization for semi-artificial photosynthesis）為題發在 Science Advances[1]，林藝良、史久昀、馮煒是共同一作，田博之和高翔擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
儘管幾位主力人員，目前分散在不同的國家。但是，後續他們將進一步致力於提升半導體光生電子進入氧化呼吸鏈的效率，例如通過對細菌進行改造，構建人工電子通道，讓更多的電子進入胞內與生物電子交匯，並轉換為生物能。
（來源：Science Advances）
另據悉，林藝良本科畢業於浙江大學，後前往美國北卡羅萊納州立大學讀博。博士期間他分別開發了一系列可以快速合成穩定液態金屬納米顆粒的方法，也完成了一系列可以讓液態金屬在室溫之下圖案化用於柔性電子器件應用的工作。
相關成果還被 Chemical & Engineering News（ACS 出版社）評為 2016 年十大科研進展之一。其還在博士期間獲得了中國國家優秀自費留學生獎學金、Vivian T. Stannett Fellow 等一系列獎項。
博士畢業之後，林藝良來到美國芝加哥大學教授田博之實驗室從事博後研究。在不同學科背景的碰撞下和合作下，林藝良進行了跨學科項目的研究和探索。
比如，他研發了具備光響應能力的矽材料和細菌的復合體系[2]；將仿土壤材料成功用於細菌體系的調控[3]；將細菌和半導體的雜合體用於半人工光合[4]；還有將仿組織水凝膠用於組織修復等。
2022 年底，林藝良入職新加坡國立大學化學與生物工程學系，擔任助理教授和獨立 PI。「在這邊我建立了獨立課題組，目前正在雜合體等方向的進一步開展科研工作。」
他說；「開發與應用生物雜合體，需集結不同科研領域的智慧共同創新，碰撞出獨特的思維火花。我們熱切期待不同背景的博士生、碩士生、博士後及訪問學者加入，與我們一起探索與深挖這一領域！」
參考資料：
1.Lin, Y., Shi, J., Feng, W., Yue, J., Luo, Y., Chen, S., ... & Tian, B. (2023). Periplasmic biomineralization for semi-artificial photosynthesis. Science Advances, 9(29), eadg5858.
2.Science Advances 6, eaay2760 (2020).
3.Nat. Chem. 15, 119–128 (2023).
4.Science Advances 9, eadg5858 (2023).