Energy & Environmental Science | 半人工光合作用助力“碳中和”_合成生物

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Energy & Environmental Science | 半人工光合作用助力“碳中和”

发布时间 2021-12-28 10:42点击次数 56次

以纯太阳能驱动化学、能源和制药工业的生产和发展将是实现碳中和的根本途径,并有望缓解当前所面临的能源环境危机。半人工光合系统结合了自然光合和人工光合的优点,可用于转换简单小分子物质如二氧化碳、氮气和水合成具有高价值的大分子产物。


2021年12月17日,中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所王博课题组、钟超课题组联合江苏大学姜志锋课题组在能源与环境领域国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》(IF: 38.532)共同发表综述“Panoramic insights into semi-artificial photosynthesis: origin, development, and future perspective”。 


 文章链接:https://doi.org/10.1039/D1EE03094A 


本文系统论述了包括非细胞复合物和基于微生物底盘的各种半人工光合系统的起源、发展和前景(图1)。通过探讨了生物-生物界面的电子和能量传递机制,旨在为半人工光合系统的最终进化提供方向,并呼吁生物、化学和物理领域的专家开展跨学科研究,最终实现净零碳排放甚至负排放社会。


 

 1 半人工光合作用概览


近年来能源危机和环境污染问题不断加剧,高效转化利用以太阳能为代表的绿色清洁能源成为了人类社会可持续发展的重大需求。结合材料高效的捕光能力和生物体系高特异性的产物催化能力,用光催化材料对生物代谢过程进行赋能的“半人工光合作用”研究应运而生。通过光催化材料为细胞代谢提供能量,有望实现太阳能到食品、药品、燃料、材料等高价值产品的特异性转化。虽然目前已有部分优秀综述阐述了半人工光合系统的一部分进展,但大多集中在非细胞或者细胞体系以及特定的能量转化模式如固碳。其他的一些体系包括光反应酶(既能捕光又能催化),仿生物大分子,基因改造的光敏分子等从广义上也可定义为半人工光合,却鲜有讨论。同时电子和能量在材料/细胞界面以及胞内传递过程的理解和监测手段较为有限。基于此,本综述各种对光敏剂(光电极、纳米颗粒、光敏染料和生物光敏分子)和各种催化反应中心(酶、全细胞底盘、纳米材料)进行了全面的讨论和合理的分类。


本文还详细阐述了界面效应如电子和能量的生物非生物传递,包括在以前的研究中很少考虑的材料对细胞和细胞对材料的影响,以及生物-非生物界面的表征方法和未来应用前景。同时结合合成生物学对微生物代谢的强大改造能力发展半人工光合技术,将推动生物制造向清洁、绿色、可持续过程发展,加深人类对生命-非生命互作的理解。


根据捕光中心和催化中心,非细胞半人工光合体系可分为生物光敏中心-半导体催化中心杂化体系,有机染料-酶杂化体系,半导体-酶体系,光敏分子-仿生物大分子体系,光反应酶等。图2概括了常见的催化中心和捕光中心的大分子物质或半导体材料。

 

2 基于光敏中心和催化中心的非细胞光和系统组件示意图


基于生物细胞的半人工光合系统根据捕光材料的差异,可分为光电极/纳米材料-细胞体系。其中这两种不同体系细胞和材料的接触方式又可分为离散型和密接型(图3)。不同类型的光合体系的电子和能量传导方式都具有明显的差异,在文中进行了详细的讨论。


 3 具有代表性的纳米材料/光电极-细胞体系


生物非生物界面的相互作用包括材料对细胞以及细胞对材料的影响,以及电子和能量传递在界面的传递。构建半人工光合系统时不仅需要考虑材料的生物兼容性和光电转化能力,同时也需要考虑细胞分泌物等对材料性能的不利影响。而电子在生物非生物界面的传递主要有直接传导和间接传导模式(图4),但是详细的传导过程仍需要详细的研究,目前常用的研究手段主要通过瞬态吸收分析、时间分辨红外分析、局域表面等离子共振分析揭示材料-细胞界面能量传递的关键载体及其存在形式。


 

4 生物-非生物界面电子传递模式概览


半人工光合作用研究出现时间较短,目前已报道的杂化体系仍处于概念证明阶段。纳米材料的使用成本、可重复利用性及其与不同催化中心或者细胞工厂结合后的应用前景仍存在较大争议,需要进一步深入研究。此外,此类系统的最优能量传递形式仍处于竞争激烈的研究阶段。对于能量在材料/细胞界面以及胞内传递过程的理解和监测手段较为有限。实现纳米材料高效赋能细胞代谢过程,达到光驱动绿色生物制造和推动碳中和的宏伟目标,需要材料化学、微生物学、合成生物学、界面科学等跨学科领域的科学家们携手努力。

 

这一研究得到国家科技部重点研发项目、国家自然科学基金、中国科学院定量工程生物学重点实验室、深圳合成生物学创新研究院经费的资助。


PI课题组简介:


王博,中国科学院深圳先进技术研究院副研究员,博士生导师。研究成果以第一作者和通讯作者在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Nano Energy, Nanoscale, J. Mater. Chem. A, Appl. Catal. B-Environ.等国际专业学术期刊发表文章15篇。


课题组主要以合成生物学、微生物学、光电催化、材料化学为手段,构建光电纳米材料赋能的微生物细胞工厂-暨半人工光合系统。研究材料介导的生物光电反应,以及微生物细胞工厂的能量捕获和产物转化,应用于光电驱动的高价值化学品生产,并尝试解决能源、环境、医疗等科学问题。


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