如何更好的构建细菌和材料的生物界面，实现更高效的光能转化效率？新加坡国立大学助理教授林艺良和其合作者提供了新的思路。
前不久，林艺良等人构建了一种新型半人工光合体系，让合成的半导体材料在物理空间上靠近细菌内膜上的氧化呼吸链，使半导体吸收光能产生的电子更易进入呼吸链，将电子转变成细菌的生物能。
具体来说，他们利用大肠杆菌生物矿化的原理，在细菌周质空间（位于细菌内外膜之间的狭窄空间）定向合成半导体纳米颗粒，有利于半导体所产生的光生电子进入氧化呼吸链并传递，进而驱动三磷酸腺苷的合成。
目前，多种重要化学品生物的合成，都需要消耗大量的三磷酸腺苷。而三磷酸腺苷又是一种细菌体内的供能物质。生物细胞内三磷酸腺苷的供应不足，往往是这些化学品合成速度较慢的原因之一。
而此次构建的周质空间材料-细菌杂合体平台，可以有效吸收光能从而转化成三磷酸腺苷，故能以经济有效的方式生产生物基化学品、燃料和药物分子，还可以潜在地用于重金属污染的修复。
相关论文的评审专家表示：“这个新建的人工体系巧妙地并实用地将重金属和微生物这些废物重新融入到功能性的生命系统中。这篇论文是材料科学、半导体技术与合成生物学多学科交叉的概念验证。
让光生电子高效进入氧化呼吸链
据了解，人工光合作用是通过模仿自然界中的光合作用从而实现对太阳能的转化、存储和利用，但是其通常是以昂贵的不能自修复的半导体作为代价。
目前，一种新的人工体系（“人工光细胞”）是通过将高效吸收光能的半导体材料与高选择性催化的活细胞集成，利用微生物优异的胞内催化能力将半导体吸收的光能转化为化学能，可潜在克服自然和人工光合作用的局限性，实现自修复、低成本的高转化效率。
其中，高选择性催化的活细胞例如细菌可利用胞内的生物电子沿着位于细胞内膜上的氧化呼吸链向下游传递，在内膜建立跨膜质子梯度，从而驱动三磷酸腺苷（ATP, Adenosine triphosphate）合酶产生三磷酸腺苷，实现能量的储存。
然而，半导体材料吸收光能所产生的电子极难进入胞内由于细胞膜磷脂双分子层绝缘性，因此，如何让光生电子高效进入氧化呼吸链并进行传递，是目前亟需解决的问题。周质空间，是位于细菌内膜和细胞外膜之间的狭窄空间。
据此该团队设想：是否能在细菌的周质空间之中，以定向的方式光电导半导体材料，以帮助光生电子进入氧化呼吸链并进行传递，进而驱动三磷酸腺苷的合成？
事实上，细菌合成纳米颗粒并不是一个新的现象，此前已有不少学者研究过细菌合成纳米颗粒的现象和机理。
但是，以前的纳米颗粒合成往往是在细菌表面或在细菌胞质内，鲜少看到这种在周质空间之内的定向合成。研究团队巧妙地通过大肠杆菌在胞内利用半胱氨酸（Cys，cysteine）合成硫化氢（H2S）, 由于硫化氢具有极高的膜通透性，因此可以快速扩散至周质空间内并与摄入到周质空间的 Cd2+ 反应，形成相应的具有光电效应的 CdS 纳米颗粒。
通过扫描电镜和透射电镜的观察，研究团队验证了这些硫化镉纳米颗粒大部分都位于周质空间内。相比在细菌表面合成的纳米颗粒，在周质空间之内合成的纳米颗粒的光生电子，可以有效规避电子在细菌外膜跨膜传输中所产生的损耗，从而提高传输效率。
为了验证在周质空间构建的生物界面是否能够提高细菌的能量代谢和合成，课题组着手开展了一系列实验。他们发现在光照条件下周质空间中含有硫化镉的杂合细菌能够比普通细菌显著性地合成更多的三磷酸腺苷（ATP），暗示了硫化镉能和细菌的氧化呼吸链进行耦合。
为了更进一步地证明所合成的三磷酸腺苷，能被杂合体细菌代谢利用和进行能量转化，他们选择了苹果酸合成体系，一个需要 ATP 赋能的体系。他们发现，在光照条件之下，杂合细菌能显著提高苹果酸的合成，这就证实了细菌确实可以利用先前检测到的多合成的 ATP 进行化合物的合成。
新的问题接踵而至
观察到上述令人兴奋的新现象之后，一系列科学层面的疑问接踵而至。
比如，为什么硫化镉会在周质空间之内合成？这一现象背后的机理是什么？这个周质空间合成的体系能否扩展到其他纳米颗粒的合成？
带着这些问题，该团队从材料学和生物学的角度开展机理探究。
在材料学层面上，他们使用一系列表征手段证明了硫化物在周质空间之内的合成和分布，并发现所合成的硫化物纳米颗粒具有很低的结晶度，其不仅能和细菌很好地复合，而且具备荧光的特性。另外，从杂合体分离出来的这些纳米颗粒，又可以形成结晶度非常高的量子点。
在生物学层面上，他们使用基因组方法来探究杂合体合成过程中金属离子的运输、半胱氨酸的代谢、外排泵等相关基因的表达及其和纳米颗粒形成的关系。
同时，他们还将该体系加以拓展。在相似的培养条件下，细菌也能很好地利用其他重金属离子例如汞离子和铅离子，从而合成对应元素的纳米颗粒、以及对应元素的杂合体。
据介绍，这是林艺良之前在美国芝加哥大学做博士后期间的一项成果。当时，他和高翔都在该校的田博之教授课题组做博后。事实上，在林艺良开展本次课题之前，林艺良更多的是专注于材料学和界面设计。
而同组的同事高翔（现中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所副研究员）主要是合成生物学背景。通过不同学科背景的思维碰撞和讨论，两人决定从材料和生物结合的角度来探索一条具有普适性的杂合体构建思路。
林艺良表示：“田博之教授和团队之前主要聚焦于设计硅纳米材料，并研究其在神经细胞和心肌细胞以及对应的组织方面的生物调控，此前并未涉及到细菌半人工光合。但是，他非常支持这个工作，并指导我们将一些细胞体系的材料界面设计思路引入细菌体系之中。”
林艺良说：“研究中，我和组里面的博士生史久昀主要负责材料学方面的表征和测试，高翔和岳继平同事则从生物学角度提供了关于相关现象的机理解释。在大家的合力之下，完成了本次成果。”
最终，相关论文以（ Periplasmic biomineralization for semi-artificial photosynthesis）为题发在 Science Advances[1]，林艺良、史久昀、冯炜是共同一作，田博之和高翔担任共同通讯作者。
尽管几位主力人员，目前分散在不同的国家。但是，后续他们将进一步致力于提升半导体光生电子进入氧化呼吸链的效率，例如通过对细菌进行改造，构建人工电子通道，让更多的电子进入胞内与生物电子交汇，并转换为生物能。
另据悉，林艺良本科毕业于浙江大学，后前往美国北卡罗莱纳州立大学读博。博士期间他分别开发了一系列可以快速合成稳定液态金属纳米颗粒的方法，也完成了一系列可以让液态金属在室温之下图案化用于柔性电子器件应用的工作。
相关成果还被 Chemical & Engineering News（ACS 出版社）评为 2016 年十大科研进展之一。其还在博士期间获得了中国国家优秀自费留学生奖学金、Vivian T. Stannett Fellow 等一系列奖项。
博士毕业之后，林艺良来到美国芝加哥大学教授田博之实验室从事博后研究。在不同学科背景的碰撞下和合作下，林艺良进行了跨学科项目的研究和探索。
比如，他研发了具备光响应能力的硅材料和细菌的复合体系[2]；将仿土壤材料成功用于细菌体系的调控[3]；将细菌和半导体的杂合体用于半人工光合[4]；还有将仿组织水凝胶用于组织修复等。
2022 年底，林艺良入职新加坡国立大学化学与生物工程学系，担任助理教授和独立 PI。“在这边我建立了独立课题组，目前正在杂合体等方向的进一步开展科研工作。”
他说；“开发与应用生物杂合体，需集结不同科研领域的智慧共同创新，碰撞出独特的思维火花。我们热切期待不同背景的博士生、硕士生、博士后及访问学者加入，与我们一起探索与深挖这一领域！”
参考资料：
