澳门新葡3522最新网站当微生物和半导体相遇后,会产生“超级微生物” 吗?

基因工程微生物如细菌和酵母长期以来被用作生产工厂来生产药物和精细化学品。最近,研究人员开始将细菌与半导体技术结合起来,类似于屋顶上的太阳能电池板,从光中收集能量,当与微生物表面结合时,可以提高其生物合成潜力。

文章来自“科学大院”公众号

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作者:李辉

第一个“生物 –
无机混合系统”主要集中在大气二氧化碳的固定和替代能源的生产上,虽然很有希望,但它们也揭示了关键的挑战。例如,迄今为止,由有毒金属制成的半导体直接组装在细菌细胞上,并且在此过程中经常会损害它们。此外,最初关注固碳微生物将产品范围限制在相对简单的分子中;如果生物混合物可以基于配备更复杂代谢的微生物产生,它将为生产可用于许多应用的更大范围的化学品开辟新的途径。

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现在,在科学研究中,由哈佛大学生物启发工程Wyss研究所和John A.
Paulson工程与应用科学学院的核心学院成员Neel Joshi和博士后研究员Junling
Guo和MiguelSuástegui领导的多学科团队介绍了适应这些挑战的高适应性解决方案。

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“虽然我们的战略在概念上建立在由我们的合作者Daniel
Nocera和其他人设计的早期细菌生物混合系统的基础上,但我们将概念扩展到酵母

(图片来源:

  • 一种已经是工业主力且在遗传上易于操作的生物 –
    使用模块化半导体该组织为酵母的代谢机制提供生化能量而不会产生毒性,“Joshi博士说,他是Wyss研究所的核心教员和SEAS的副教授。共同作者Nocera是哈佛大学的Patterson
    Rockwood能源教授。作为联合操作的结果,酵母生产莽草酸的能力显着增强,莽草酸是抗病毒药物达菲,其他几种药物,营养保健品和精细化学品的重要前体。

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面包酵母酿酒酵母(Saccharomyces
cerevisiae)自然地产生莽草酸以产生一些用于合成蛋白质和其他生物分子的构件。然而,通过遗传修饰酵母的中心代谢,研究人员使细胞能够将其主要营养源所含的更多碳原子汇集到产生莽草酸的途径中,并防止碳流失到替代途径中。破坏他们中的一个。

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“原则上,对莽草酸增加的’碳通量’应该导致更高的产品水平,但在正常的酵母细胞中,我们破坏以提高产量的替代途径,重要的是,还提供了为莽草酸的最后一步提供燃料所需的能量。酸生产,“联合第一作者MiguelSuástegui博士说,他是化学工程师,Joshi团队的前博士后研究员,现在是Joyn
Bio
LLC的科学家。为了促进碳更有效但耗能的工程化莽草酸途径,“我们假设我们可以生成相关的能量携带分子NADPH而不是采用光捕获半导体的生物混合方法。”

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为了实现这一目标,Suástegui与该研究的另一位共同对应和共同第一作者,现在是Joshi实验室化学和材料科学经验的博士后研究员Junling
Guo博士合作。他们设计了一种使用磷化铟作为半导体材料的策略。“为了使半导体元件真正模块化和无毒,我们用天然多酚基”胶水涂覆磷化铟纳米颗粒“,这使我们能够将它们附着在酵母细胞表面,同时使细胞与细胞绝缘。金属的毒性,“郭说。

看,当人类希望提升自身机能时,想到的第一方案是开“外挂”。

当束缚到细胞表面并被照射时,半导体纳米粒子从光中收集电子并将它们交给酵母细胞,酵母细胞将它们穿过它们的细胞壁进入它们的细胞质。在那里,电子提升了NADPH分子的水平,现在可以为莽草酸生物合成提供燃料。“酵母生物杂交细胞在黑暗中保存时,大多产生更简单的有机分子,如甘油和乙醇;但当暴露在光线下时,它们很容易转变为莽草酸生产模式,产品水平提高了11倍,向我们展示从光进入细胞的能量转移非常有效,“乔希说。

那么当人类对微观生命体的能力不太满意时,会怎样去改造它们呢?除了对微生物进行遗传操作赋予它们新的能力,给它们配备比较另类的“装备”也是可行的方法,比如半导体。

“这种可扩展的方法为未来的生物混合技术创造了一个全新的设计空间。在未来的努力中,半导体的性质和基因工程酵母细胞的类型可以以即插即用的方式变化,以扩展制造工艺的类型和范围的生物制品,“郭说。

下面我们来看看微生物和半导体的组合能够产生什么火花。

“创造光捕获,活细胞设备可以从根本上改变我们与自然环境互动的方式,让我们在能源,药品和化学商品的设计和生产方面更具创造性和有效性,”Wyss
Institute创始总监说。 Donald
Ingber,医学博士,博士,同时也是HMS血管生物学的Judah
Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目,以及SEAS的生物工程教授。

热醋穆尔氏菌+硫化镉=更多能量

第一对组合由着名的华裔化学家与材料科学家杨培东教授的团队“撮合”,组合的双方分别是能够固定CO₂的非光合微生物热醋穆尔氏菌和半导体材料硫化镉。

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(图片来源:UC Berkeley)

太阳能是目前我们所知最大的能量来源,人类主动捕获太阳能主要通过无机的固态材料和生物的光合作用系统。尽管固态半导体光吸收器的捕光效率通常要高于生物的捕光效率,但是将捕集到的光电子转化为稳定的化学能对于非生物的催化剂却不是一件容易的事。光合生物的捕光效率虽然不占优势,但是在将电能转化为稳定的化学能方面很出色,在将CO₂固定成多碳化合物的过程中,光合生物会把收集到的能量贮存到多碳化合物的化学键之中。

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叶绿体中光合作用的原理图(图片来源:Thomas Hauser et al.,2015,Nature
plants)

如果把半导体高效的捕光性能和固碳生物优秀的能量转化以及储存能力整合到一起,这种“超级微生物”就可以捕获更多能量了!于是问题就来了:究竟该选择哪种半导体材料和哪种固碳的微生物?

目前自然界发现的固定CO₂的途径一共有6种,我们最熟悉的光合作用中Calvin-Benson循环虽然固定了大气中大部分的CO₂,但是它的固碳和能量效率其实不高。从固碳的角度来看,Calvin-Benson循中直接固定CO₂的酶的催化效率仅为每秒2-5个CO₂分子,从能效的角度看,对于生长在热带和温带的粮食作物其量子效率一般不超过1%,而即使是在反应器中培养的藻类也仅为3%左右。

在对不同固碳途径的热动力学进行比较时,一个叫做Wood-Ljungdahl的固碳途径由于其固碳所具有的能量优势脱颖而出,在将CO₂固定成丙酮酸的过程中,
与Calvin-Benson需要7个ATP和5个还原力相比,它只需要1个ATP和5个还原力(还原力是一类能够作为生物能量载体、传递电子的化合物或者蛋白的统称,常见的包括NADH,NADPH,FMN和FAD)。
该途径可以先将CO₂转化成乙酰辅酶A,再转化成乙酸排出体外,而这两种化合物均可以被微生物升级成经济价值更高的化合物,比如一些含有6个碳的酸。

拥有这个途径的一种微生物叫做热醋穆尔氏菌(Moorella
thermoacetica),这种微生物同时还能够将一种半导体材料硫化镉沉积到自己的表面,这样以来固碳和捕光的对象就都有了,把它们俩组合也是顺理成章的事了。

那这一菌一半导体具体是怎样被结合的呢?具体的过程是在培养热醋穆尔氏菌的时候添加半胱氨酸,作为硫源,再等到它的生长状态比较好的时候将镉离子Cd²⁺以Cd₂的形式加入培养基,这时形成的硫化镉纳米粒子便会附着到热醋穆尔氏菌的表面,两者形成一个共生体。

这个共生体对光的利用分为两个步骤,首先是CdS将从太阳光所吸收的能量转化成电子,这些电子又能促进还原力H]的形成,还原力的形成又会使得CO₂能够经由Wood-Ljungdahl途径转化成乙酸,再进一步转化成热醋穆尔氏菌生长所需的各种物质。

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热醋穆尔氏菌-硫化镉的反应原理 (图片来源:Kelsey K. Sakimoto et al.,
2016, Science)

科学家观察了这种共生体的生长情况,发现这种附着了硫化镉的热醋穆尔氏菌能够继续繁殖,它将所固定的CO₂中的10%用来长身体,其余90%基本全部转化为乙酸了,从能效的角度看,在模拟太阳光的照射下,共生体的量子效率最大达到了2.4%,超过了一般植物和藻类年平均量子效率1个数量级。
硫化镉还对热醋穆尔氏菌有保护作用,如果把硫化镉移除,让热醋穆尔氏菌独自在施加光照的条件下生长,一天之后基本就全部死掉了,培养基中添加硫化镉情况则会有所好转。

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