深圳先进院等构建一套有机半导体资料赋能大肠杆菌光驱动产氢系统
因为动力和环境危机日益加剧，加强对太阳能等清洁动力的有用使用与转化成为完成人类社会可持续发展的重要发展方向之一。基于此，半人工光合范畴应运而生，该系统结合了半导体资料对光能的高效捕获才能及生物的高挑选催化才能，有用吸收太阳能产生光生电子或复原力以驱动生物体内高附加价值产品的代谢。现在，该系统的构建首要依赖于微生物本身矿化或许内吞效果，完成金属半导体资料如硫化物的堆积及量子点纳米资料的吸收。鉴于重金属离子的毒性和金属半导体资料的光腐蚀性，以无机资料/微生物为代表的杂化系统存在环境危险的一起，负载功率和物质代谢才能也遭到重金属离子毒性的约束。
以碳基资料为代表的有机资料具有较好的生物兼容性，理化性质安稳，但存在光能捕获功率较低和光生载流子复合快的问题。经过碘的掺杂效果，水热碳具有了常碳基资料优势，并具有杰出的全光谱吸收和光生电子搬迁才能。此外，碘掺杂水热碳可由一系列碳水化合物前驱体，如蔗糖、淀粉、稻草和动物粪便等水热组成且无温室气体的排放。这些特性使得碘掺杂水热碳成为低价高效的微生物伴生光驱资料。
化能异养微生物大肠杆菌被选为该系统的微生物工厂，一方面因为大肠杆菌老练的基因操作技能赋予其产品多样性的特色;另一方面其明晰的代谢通路有助于研讨资料微生物界面能量电子搬迁的问题，后者是半人工光合范畴没有霸占的难题之一。为战胜上述提出的生物矿化和内吞效果对微生物的影响，该研讨选用普适快捷的“外挂式”自拼装办法，经过改性微生物外表电荷，使其与带负电荷的碘掺杂水热碳经过静电吸附快速结合，在光照下完成光生电子的有用搬迁。该办法突破了纳米资料和微生物本身的限制，可根据试验需求规划不同半导体资料和微生物的高效组合系统。自拼装的I-HTCC@E.coli系统产氢功率比较于纯大肠杆菌漆黑发酵系统明显进步，完成了非光合微生物大肠杆菌在光照下的高效氢能转化，量子功率高达9.11%，远高于一般光合微生物(< 3%)。
该研讨进一步剖析了光生电子搬迁途径以及对大肠杆菌产氢代谢的调控难题。试验结果表明，碘掺杂水热碳的光生电子首要经过直接传递和NAD+/NADH介导的直接传递效果被微生物使用。搬迁到微生物体内的光生电子首要经过一种奇妙的方式正反馈调理大肠杆菌的甲酸产氢途径和NADH产氢途径的底物以进步大肠杆菌的氢能转化功率。该系统相同具有了较好的光安稳性和普适性，可应用于不同碳基资料，对大肠杆菌产氢均显现了不同程度的促进效果。
研讨工作得到国家自然科学基金委员会、科技部国家要点研制方案、中科院深圳先进院、中科院定量工程生物学要点试验室和深圳组成生物学立异研讨院的赞助。
图1.样品表征。（a）碘掺杂水热碳透射电镜；（b）PAH 改性后细胞描摹；（c）碘掺杂水热碳的x射线衍射和紫外可见光吸收图谱；（d）、（e）碘掺杂水热碳和大肠杆菌自拼装系统投射电镜；（f）不同光电流下碘掺杂水热碳光电流呼应。
图2.驱动碘掺杂水热碳和大肠杆菌自拼装系统产氢的机理。
