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“细菌工厂”有了“防护网” 中科院深圳先进院团队相关成果发表于《科学》子刊

“细菌工厂”有了“防护网” 中科院深圳先进院团队相关成果发表于《科学》子刊

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读特客户端·深圳新闻网2022年05月09日讯(深圳商报记者 袁斯茹 通讯员 赵梓杉“万物生长靠太阳”。近年来,科学家们开始模拟光合作用,用于生产制造。在这种“半人工光合作用”中,“细菌工厂”发挥着重要作用,但在人工光照下,会影响这座“工厂”的稳定发挥。

5月7日,中科院深圳先进院团队在Science子刊《科学进展》上发表研究,利用合成生物学,为“细菌工厂”构筑了一道“防护网”。深圳先进院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院副研究员王新宇和上海科技大学博士生张继聪为文章共同第一作者,钟超研究员为唯一通讯作者。

保障“细菌工厂”运转

光合作用是指植物或藻类吸收太阳光,将二氧化碳和水合成有机物,并释放氧气的过程。

参照这一原理,半人工光合作用同样利用光能催化,生产燃料分子或各种化学品。其中,吸光材料和工程细菌是两大得力“干将”,前者负责吸收并储存太阳光中的能量,后者则利用这些能量进行生产。

“半导体材料因其优良的吸光性能,常作为半人工光合作用的吸光材料。然而这种材料在吸收太阳光能量的同时,也会在其周围生成一种‘氧化空穴’,对细菌有很强的毒性,甚至会造成整个细胞破裂,‘细菌工厂’也就无法运转。”王新宇说。

为此,团队从减少半导体材料与细菌接触的角度出发,进行设计与研究。他们发现大肠杆菌生物被膜有开发潜力。

改造“安全网”

要当好一张合格的“防护网”,大肠杆菌生物被膜还需要一番改造。于是,团队利用合成生物学手段,对其主要成分进行了重新设计,使其能原位固定及负载半导体颗粒,从而形成一种牢固的生物材料+无机材料的兼容界面。

在这种生物被膜的固定下,半导体材料就很难对细菌产生破坏,相当于在细菌工厂表面人为铺上了一张防护网。

“就像人类干活要吃饭,生物干活也要吸收能量,半导体需要在吸收光能后通过‘安全网’传给微生物细胞,才能使细胞更有动力去‘变身’。”王新宇说。

“在半人工光合作用这一新兴领域,团队通过合成生物学技术构建的大肠杆菌功能生物被膜,能起到‘安全网’的作用。”王新宇说道,通过表达具有矿化能力的胞外被膜蛋白,避免了高能半导体材料与细菌的直接接触,从而大大降低了对工程菌的伤害。

然而,在生物被膜半人工光合作用体系当中,研究人员仅仅引入了单一的酶,还无法实现高附加值经济产物的生成。未来,研究团队会继续对微生物进行改造,构建二氧化碳到长链高附加值化学分子的合成通路,并对生物被膜的光催化反应体系进行中试发酵尝试,验证该成果体系的规模化生产能力。

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