澳门永利皇宫中国官网入口 东谈主工光互助用新冲突: 科学家用阳光和空气“种”出活细菌

明天，发酵罐里可能不再需要糖了。

在大大量东谈主印象中，发酵工业时常便是在大罐子里泡着糖水养酵母或细菌。现时，英国伦敦玛丽女王大学、剑桥大学与以色列魏茨曼科学有计划所团队的一项有计划阐述注解，工程大肠杆菌粗略在不添加任何糖类或有机碳源的条目下，仅依靠太阳能驱动产生的甲酸盐和二氧化碳（CO₂）完成孕育。

有计划东谈主员搭建了一套将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在归并反映器、以甲酸盐为能量中介的太阳能驱动 CO₂ 移动生物资平台，通过集会“半东谈主造叶片”和经过永远进化的工程大肠杆菌，用阳光和水将二氧化碳平直移动为活体细菌生物资。

在不引入植物、藻类或光合细菌的前提下，该系统终清澈近似当然光互助用的碳固定过程，且不需要非凡添加任何糖类或其他有机碳源。

具体来说，这种安装在有机光伏驱动下，通过甲酸脱氢酶（FDH）催化将二氧化碳归附为甲酸盐，光阳极同步氧化水开释氧气，工程化大肠杆菌在归并液体中“吃掉”甲酸盐行动能源，驱动细菌将外源二氧化碳固定终了孕育。

从本体上来看，悉数这个词过程是模拟当然界的光互助用，而不同之处在于，其将植物体内的复杂生化反映拆解到体外，并用工程技能进行再行组合。值多礼贴的是，经过 168 天筛选和 27 轮握续进化，菌株达到稳依期 OD₆₀₀≈0.2 所需的时刻从 13 天缩小到仅需 2 天。

图丨苏林（左一）与 Erwin Reisner 老练在实验室（开首：受访者）

该论文第一作家、伦敦玛丽女王大学讲师苏林博士对 DeepTech 默示：“这项有计划初次在归并容器内，买通了从光能到细菌生物资生成的竣工链条。这就像在实验室里建了东谈主工叶绿体，不仅管制了当然光互助用的低恶果瓶颈，还为合成生物学定向坐褥化学品提供了一种可编程平台。”

关连论文以《应用光电化学终了自养型大肠杆菌的太阳能驱动孕育》（Towards solar-powered growth of autotrophic Escherichia coli using photoelectrochemistry）为题发表在 JACS 上 [1]。苏林博士和剑桥大学 Celine Wing See Yeung 博士是共同第一作家，Erwin Reisner 老练担任通信作家。

图丨关连论文（开首：JACS）

植物和浮游植物每年通过叶绿素、阳光和水可固联盟 1，000 亿吨碳。在可再生化学范围，一个永远的难题是，该过程能否在不依赖燃烧化石燃料的条目下，用东谈主造组件搭建出合成版块。

太阳能应用时常分为两类旅途：纯化学旅途（应用太阳能驱动电催化或光催化合成燃料分子）和纯生物旅途（应用蓝藻等光合生物固定二氧化碳）。两者各有漫骂：化学旅途具备较高的太阳能移动恶果，但贵金属催化剂资本高，且难以一步合成多碳或结构复杂的居品；生物旅途擅长合成复杂代谢居品，但太阳能移动恶果较低，居品谱也受限于自己的代谢才调。

半东谈主工光互助用（semi-artificial photosynthesis）恰是把二者集会起来的计策：化学旅途肃肃把太阳能高效移动为甲酸（盐）、乙酸（盐）等肤浅中间体，再把这些中间体行动底物提供给生物系统，合成更复杂的缱绻居品。

可是，其落大地临一个中枢挑战：化学催化过程与生物合成过程时常不成在归并个反映器中同期运转。化学侧所需的高电位、强电解液或金属离子环境，常会毁伤细菌或收敛其代谢。

那么，化学催化与生物代谢究竟能不成在归并种液体里同期职责？有计划团队但愿，通过这项有计划找到这个问题的谜底。

终了这个缱绻看似肤浅，但施行操作起来却充满挑战：有的系统用了含有毒性金属离子的电极，细菌容易被毒死；而有的系统则需要添加非凡的有机物才能保管细菌孕育，无法作念到以 CO₂ 行动唯独碳源；还有的系统能量颐养恶果过低，无法支握联接培养的任务。

图丨当然光互助用与工程化光互助用（开首：JACS）

总体来说，必须同期管制的三个问题是：速率匹配、化学环境对生物无毒以及悉数催化反映必须在归并种液体中发生。

有计划东谈主员设想了一个新的决策：用电化学安装充任“东谈主工叶绿体”，让电极的一面氧化水、提供电子，另一面则用这些电子把二氧化碳归附成一种小分子有机物（甲酸盐）。工程化大肠杆菌在归并液相环境中接管甲酸盐，在细胞内将其氧化回二氧化碳以开释归附力（电子），再通过卡尔文轮回驱动外源二氧化碳固定成生物资。

苏林解释说谈：“水氧化产生的氧气之是以粗略在归并反映器里被细菌破费掉，原因在于工程大肠杆菌需要氧气行动呼吸链终局的电子受体。”

这一历程对应的是自然光互助用：植物的光反映制造三磷酸腺苷（ATP）和归附型辅酶Ⅱ（NADPH）并开释氧气；暗反映应用这部分能量，通过卡尔文轮回把二氧化碳固定成糖。在有计划团队开拓的安装中，光反映在半导体与酶的共同作用下完成，暗反映则由大肠杆菌完成。

为什么选甲酸盐行动化学侧与生物侧的“致力于于棒”？这一遴荐背后有具体的考量。

与氢气（储运勤恳、易燃易爆）、一氧化碳（毒性高、水溶性差）或乙酸盐（电化学合成需要多电子移动、恶果较低）比较，甲酸盐具有几个独有上风：它是常温下的液体，易于在水相中储存和运载；CO₂ 归附成甲酸盐只需两个电子，是热力学上最容易终了的 CO₂ 归附居品之一；同期，甲酸盐在细胞内既可被氧化开释归附力（电子）供能，氧化居品又是 CO₂，可再行参加细菌的碳固定轮回，终了碳的里面闭环。基于这些上风，以甲酸盐为要道构建可再生化学品坐褥体系的理念，在文件中被称为“甲酸盐生物经济”（formate bioeconomy）。

在这项有计划中，有计划团队进行了递进式考据。他们靠近的第一个挑战是：细菌“吃”甲酸盐的速率太慢了。有计划东谈主员采选大肠杆菌行动底盘生物，尽管这是一种实验室中常用的形态生物基因操作用具纯属，况兼工业化坐褥教训丰富，但野生型的大肠杆菌并不擅长应用甲酸盐。

此前，魏茨曼科学有计划所 Ron Milo 教讲课题组基于代谢工程考订，构建出可应用甲酸盐和二氧化碳孕育的自养型大肠杆菌，关连论文差别发表于 Cell（2019）与 eLife（2024）。但考订菌的孕育是一个漫长的过程，澳门永利皇宫中国官网入口需要资格两周才能孕育到可见的浓度。

为了让考订菌终了高效糊口，有计划东谈主员在 Milo 课题组前期菌株的基础上进行了妥当性实验室进化（ALE）实验。他们将培养物反复稀释到簇新培养基中，让当然遴荐来完成职责。

经过共 168 天、 27 次联接传代，分离到一株进化后的菌株在 2 天内达到了与此前 13 天相同的密度（OD₆₀₀ ≈ 0.2），进而在细菌方面管制了速率匹配的问题。

图丨甲酸盐上加快的自养孕育（开首：JACS）

基因组测序数据走漏，进化后的菌株在 pitA 基因上出现了一个单碱基插入突变，该基因编码的是低亲和力的无机磷酸盐转运卵白。

当有计划东谈主员通过 P1 噬菌体介导的转导将该突变东谈主为成就且归后，端正走漏，答谢株的孕育速率显耀低于进化株。

苏林指出，这阐述该突变对甲酸盐应用恶果的擢升有实质性孝敬。“据咱们估计，pitA 失活可能有助于保管细胞内的质子能源均衡，在甲酸盐代谢导致培养液碱化的条目下为细菌争取到了更好的糊口上风。”

管制了快速“吃”甲酸盐菌株的挑战，但新的难题随之而来：考订后的菌株能否平直应用电化学反映生成的甲酸盐？

有计划团队在钛箔上制备了一种具有层级多孔结构的二氧化钛（TiO₂）电极，并在电极上固定了两种酶：一种是来自硫酸盐归附菌的甲酸脱氢酶（FDH），这种酶能将二氧化碳归附成甲酸盐，况兼耐氧性好，无需冷酷的厌氧条目；另一种则来自碳酸酐酶（CA），它的作用是通过加快二氧化碳的水合反映，注重电极名义由于局部碱化而导致甲酸脱氢酶失活。

在小幅外加电位（–0.4V vs. 可逆氢电极）下，这个阴极在 10 小时内以 98±1% 的法拉第恶果握续职责。也便是说，参加电极的每个电子基本上都以甲酸盐的神志输出，且险些不产生副反映。

在 5mL 缓冲液里积贮了约 25mmol/L 的甲酸盐，为终了细菌培养提供支握。当有计划东谈主员将电解后的液体转入烧瓶、补上微量元素，再接种进化后的大肠杆菌时，端正走漏，细胞粗略在 6 天内壮健孕育，并破费了险些生成的一王人甲酸盐。

图丨有计划东谈主员将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在归并反映器中（开首：受访者）

但问题还莫得收尾。到这一步，电能仍由外接电源提供。要果真复现当然光互助用的逻辑，必须把这部分电力替换为阳光。为此，有计划团队采选全有机的半导体材料构建光伏器件，以注重传统光伏器件中可能含有的重金属离子毒性。

这种有机光伏器件在光照下粗略提供约 1 伏的开路电压，足以驱动甲酸脱氢酶职责。有计划东谈主员将酶修饰电极与有机光伏器件相集会，酿成了一个生物光阴极。

在模拟太阳光照耀下，该光阴极在联系于可逆氢电极 0.6 伏的职责电位下，产生了约 3 毫安每平方厘米的光电流，联接初始 10 小时产生了 338 微摩尔每平方厘米的甲酸盐，法拉第恶果仍可保握在约 97%。

通过这批太阳能制造的甲酸盐培养进化后的大肠杆菌，细菌终清澈平淡孕育 3 天，最终浓度与此前用电解实验的甲酸盐培养的情况荒谬。

图丨生物电化学甲酸盐合成与应用（开首：JACS）

至此，有计划团队已差别考据光驱动产甲酸盐和细菌吃甲酸盐孕育两个智力。但是，如何将二者装进归并个容器中，让它同期进行呢？

有计划东谈主员将集成版的安装称为“半东谈主造叶片”，不需要外加电压，唯有光照就能职责。悉数这个词安装平直浸泡在含有大肠杆菌的培养液里。光照下，阴极产生甲酸盐，阳极产生氧气。

甲酸盐被细菌吃掉用于孕育，氧气则被细菌用于呼吸。这套系统在联接 20 小时的光照下，产生约 79 微摩尔每平方厘米的甲酸盐和 26 微摩尔每平方厘米的氧气。

概括来看，这项有计划呈现出一条从阳光、水和二氧化碳到细菌生物资联接颐养的竣工逻辑链条：用妥当性进化让大肠杆菌得到快速应用甲酸盐的才调，然后用酶修饰电极终清澈从二氧化碳到甲酸盐的高效电化学和光化学移动，最终将二者整合在归并反映器中。

这项有计划展示了一种新的可能性，用工程细菌和光电器件搭“东谈主工叶绿体”，将二氧化碳变成灵验的物资。需要看到的是，现阶段，这套系统也靠近一系列问题，举例氧气管制尚未壮健、永远初始的轮回性能有待考据，以及进一步在更大范围的反映器中进行考据。现时安装的联接初始时刻在 10–20 小时量级，距离工业应用所需的数百乃至数千小时长程壮健性还有较大差距。

但这项有计划的更遑急的价值在于终清澈意见考据：仅以阳光、二氧化碳和水为底物，而不依赖食粮（比如玉米作念的葡萄糖）和复杂的有机养分，就能培养出微生物生物资。

现时，苏林正在伦敦玛丽女王大学新建立的寥寂课题组中赓续这一标的的探索。该课题组延续了他在剑桥进行博后有计划时间的生物杂化系统（biohybrid）想路，聚焦于工程生物与合成材料之间的电子传递界面，并尝试将这一平台从 CO₂ 归附拓展到氮气（N₂）固定、塑料降解等更具挑战性的反映。“接待对生物–材料界面感兴味的有计划东谈主员加入咱们课题组或开展互助。”苏林说。

明天，如若该平台粗略与平直空气捕集手艺耦合并终了范围化放大，有可能终了在太阳能驱动下，平直“种”出微生物卵白、化工原料致使燃料。

参考尊府：

1.https://doi.org/10.1021/jacs.6c03677

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 缓助生成澳门永利皇宫中国官网入口