光合作用是地球上的生命存在的基礎，科學家們一直在努力構造高效的人工光合作用體系，以應對嚴峻的能源和環境問題。近年來發展起來的策略之一是將人工合成的材料和生命體系結合起來，利用合成材料提高光合作用關鍵蛋白或光合菌的性能，以實現高效率的人工光合作用。光合菌具有完整的二氧化碳（CO
2）代謝通路，能夠繁殖擴增且易於培養。相比於光合菌，一些非光合菌有著更易於編輯的代謝通路，意味著能夠更可控地將二氧化碳轉變為特定的有機物。加州大學伯克利分校的楊培東教授多年前開始就致力於發展無機材料和非光合菌雜化的體系用於人工光合作用，例如用硅納米線陣列吸收太陽光，並將光生電子傳遞給負載在納米線上的細菌Sporomusa ovata作為還原二氧化碳的能量來源。兩年前，他們發現在培養液中加入Cd2+，非光合細菌Moorella thermoacetica 就能在細胞膜上自發生長出CdS納米顆粒作為光敏劑產生光生電子用於固定二氧化碳（Science, 2016, 351, 74，點擊閱讀詳細）。不過由於二氧化碳的固定發生在細胞質中，而在過去的體系中，光生電子都產生於細胞之外，在到達催化中心前需要穿過細胞膜，經過一系列電子傳遞過程，因而造成了額外的能量損失，也降低了催化效率。為了克服這個問題，在一項近期的研究中，
楊培東教授團隊將作為光敏劑的金納米團簇（AuNC）穿透到細菌Moorella thermoacetica內（下文稱為雜化細菌），從而能直接在細菌內產生電子，用於二氧化碳的固定。相關成果發表在Nature Nanotechnology 上，共同第一作者為博士生Hao Zhang和Hao Liu博士（現任教於東華大學）。
圖1. AuNC和細菌構成的雜化細菌用於人工光合作用。圖片來源：Nat. Nanotech.
不同於之前的CdS納米顆粒，AuNC和細菌雜化的方式是直接將水溶性的AuNC（主要是Au22(SG)18，G是谷胱甘肽）與細菌Moorella thermoacetica一起培養。因為AuNC的尺寸不到2 nm，能夠穿透細菌的細胞膜。經過2天的培養，超過95%的AuNC被細菌吸收，並且紫外可見吸收光譜表明AuNC的結構沒有被破壞。在結構化照明顯微鏡（SIM）下，AuNC的熒光（540 nm）在細菌中的熒光分佈均勻，說明AuNC在細菌內的是分佈均勻的，沒有發生聚集。作為對比，之前的CdS納米顆粒生長在細胞膜外，因而熒光（408 nm）是環狀分佈的（圖2d）。電鏡和能譜的分析進一步支持了這個結論。
圖2. 熒光和電子顯微鏡表明雜化細菌中AuNC均勻分佈。圖片來源：Nat. Nanotech.
此前的研究表明，該細菌能選擇性的把二氧化碳轉化為乙酸。在雜化細菌的光合作用研究中，作者選擇用定量魔角核磁氫譜（1H-qNMR）對產物乙酸進行監測，同時用13C標記確認光合作用中C的流動。從圖3a可以看到，雜化細菌在暗處幾乎不生成乙酸，而在同等光照強度下，與AuNC雜化的細菌產生乙酸的速度甚至比與CdS雜化的細菌更快。進一步的，在沒有二氧化碳時，AuNC雜化細菌能發出紅色熒光（與純的AuNC相似）；而有二氧化碳時，熒光幾乎完全被淬滅，這說明後者的光生電子參與二氧化碳固定，而不是產生熒光。相應的，空穴被半胱氨酸淬滅，整個光合作用的反應是：
對光合作用更細緻的研究發現，在間隔照明的條件下，基於AuNC的雜化細菌在沒有光照時也能產生乙酸，因為光照時積累的代謝中間體繼續被轉化為乙酸。整個過程的量子產率約為2.86%，超過了基於CdS的雜化細菌。並且，由於乙酸並不能被細菌代謝，而天然的光合菌會在夜間通過呼吸作用將光合作用的產物消耗掉，因而人工光合作用的效率有望超過天然的光合作用。值得一提的是，在第3天后雜化細菌產生的乙酸的量就會達到飽和，需要補充額外的半胱氨酸才能讓雜化細菌繼續產生乙酸（參考上述光合作用的反應式）。
圖3. AuNC雜化細菌（以及對照體系）的人工光合作用表徵（產生的乙酸的量，量子產率以及光合作用對AuNC熒光的淬滅）。圖片來源：Nat. Nanotech.
此前的體系中的光敏劑是CdS納米顆粒，影響了細菌的生存。相比於CdS，AuNC具有較低的毒性和較高的生物相容性，這意味著相應的雜化細菌存活率會更高。實驗結果表明，AuNC雜化細菌的存活率不僅高於CdS雜化的細菌，甚至高於普通細菌（圖4a，b）。作者猜想這可能與AuNC淬滅活性氧的能力有關，於是用試劑盒檢測了活性氧促發的熒光，發現在48小時的光照後，AuNC雜化細菌中的活性氧濃度比普通細菌低了1.8倍。
圖4. 雜化細菌具有高生存率以及細菌中活性氧含量的表徵。圖片來源：Nat. Nanotech.
從沉澱在細胞膜上的CdS納米顆粒到滲透到細胞質中的Au納米團簇，不僅縮短了電子傳遞的距離，還提升了電子轉移的效率和量子產率。得益於AuNC的低毒性和淬滅活性氧的能力，細菌的存活率也得到了提升。楊培東教授說到，這個策略既利用固態半導體的優越的吸收太陽光的能力，又發揮了細菌優越的催化能力。阿貢國家實驗室Elena A. Rozhkova教授認為這個工作拓展了人們對生命體系中能量轉移過程的認識，將表現出量子效應的納米材料用到生命體系中的策略可以對其他生物技術有借鑑價值（Nat. Nanotech., 2018, 13, 880）。
值得一提的是，與本論文前後相差僅僅數日，該團隊還和同在UC Berkeley的Omar M. Yaghi教授團隊合作，在PNAS上報道了通過在厭氧菌
Moorella thermoacetica外包裹一層由金屬有機框架（MOF）納米片構成的超薄“防護服”，提高厭氧菌在氧氣環境下的生存能力，提高雜化細菌光合作用的產率（PNAS,2018, 115, 10582，點擊閱讀詳細）。原文
Bacteria photosensitized by intracellular gold nanoclusters for solar fuel production
Hao Zhang, Hao Liu, Zhiquan Tian, Dylan Lu, Yi Yu, Stefano Cestellos-Blanco, Kelsey K. Sakimoto, Peidong Yang,
Nat. Nanotech., 2018, 13, 900-905, DOI: 10.1038/s41565-018-0267-z
導師介紹
楊培東
http://www.x-mol.com/university/faculty/761
（本文由荷塘月供稿）
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