細菌種類多樣，功能多樣，在多個領域都有重要研究價值。除了生物工程領域常見的基因層面的修飾，還可以在細菌中引入納米材料來實現特定的功能。比如，楊培東團隊曾利用金納米團簇和細菌設計了一套反應系統，模仿自然界的光合作用，在光照下可以捕捉二氧化碳並將其轉化為乙酸（Nat. Nanotech.,
2018, 13, 900-905，點擊閱讀詳細）。此外，電活性微生物能與電極發生電子交換，它們與電極的相互作用可以實現物質轉化、能量轉換等功能。人們將該微生物與電極結合以實現重金屬還原、汙染物降解、物質合成等功能。通常人們利用碳基材料作為電極（如石墨電極、碳布），因為它們具有良好的電化學穩定性、生物相容性和結構可塑性，在微生物燃料電池中得到了廣泛的應用。然而，這些電極的結構比較緊密，不利於營養物質擴散、廢物分離，這限制了對細菌生存環境的優化。此外，它們的疏水錶面不利於與具有親水性細菌的電子傳遞。在這些電極上吸附的細菌往往形成緻密的生物膜，限制了它們的增殖和生長。近日，英國劍橋大學的Erwin Reisner教授（點擊查看介紹）等人利用聚苯乙烯微球和氧化銦錫納米顆粒設計了一種反蛋白石結構的ITO（inverse opal-indium tin oxide，IO-ITO）電極，將其與電活性細菌——硫還原地桿菌（Geobacter sulfurreducens）相結合，通過細菌代謝活動提供電子用於化學合成（富馬酸鹽的還原）和納米材料的修飾（氧化石墨烯的還原） 。在該電極中還可培養與其有共生關係的希瓦氏菌（Shewanella）以提高反應電流。當將電極材料換為光敏材料時還可以利用光能合成化學物質。該生物電極體系為實現可持續供電和生物合成提供了重要的平臺。相關工作發表在PNAS上。
Erwin Reisner教授。圖片來源：University of Cambridge
IO-ITO電極由聚苯乙烯微球和ITO納米顆粒組成，它們的平均直徑分別為10 μm和50 nm，該電極表面親水性強，還具有多孔結構，這有利於細菌的親附和擴增。硫還原地桿菌帶有負電荷，當電極帶正電時細菌就會附著並進入IO-ITO電極。在電極表面的細菌可以乙酸鹽為碳源生長，同時將該過程中產生的多餘電子通過細胞膜蛋白細胞色素C直接傳遞給電極，電流最高可達3 mA cm-2。當乙酸鹽含量下降時電流也會下降，可以通過補充乙酸鹽來增加電流。而如果將該電極換成ITO或者金平板電極，電流只有∼0.2 mA cm-2。
IO-ITO與電活性細菌結合產生電流和電合成的示意圖。圖片來源：PNAS
IO-ITO電極的結構。圖片來源：PNAS
作者利用聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）表徵電極，發現細菌可以進入IO-ITO電極內部並附著在介孔中。由激光共聚焦顯微鏡可以發現細菌生存狀態良好。作者基於RNA-seq測序的轉錄組分析對比了在IO-ITO電極上和溶液中生存的硫還原地桿菌，結果發現在IO-ITO電極上的硫還原地桿菌調節基因降低了能量消耗，或與生存環境改變有關。隨後作者基於微生物之間的共生關係，提出在電極中同時培養兩種細菌以提高電流。希瓦氏菌是一種通過分泌電子中介體黃素實現間接電子傳遞的細菌，以乳酸鹽為碳源，可將乳酸鹽轉化為乙酸鹽，而乙酸鹽可被硫還原地桿菌利用，兩者都可將電子轉移到電極用於電合成。作者發現，這種共生體系的電流更大。
IO-ITO電極與電活性細菌結合用於產生電流。圖片來源：PNAS
接著作者研究了該細菌雜化電極體系的實用性。他們以富馬酸鹽還原反應為模型，將電壓設為-0.45V vs. SHE，修飾了硫還原地桿菌的IO-ITO電極產生陰極電流，持續80 h電流變為零，在該過程中富馬酸鹽被還原為琥珀酸鹽，法拉第效率為(93 ± 12)%。而不存在硫還原地桿菌時，在該電壓下並不能直接電還原富馬酸鹽。另外，作者還將該雜化電極用於還原氧化石墨烯。電壓設為-0.3V vs. SHE，反應20 h之後氧化石墨烯的疏水性增加，同時在拉曼光譜中D帶和G帶強度比率增加。而不存在細菌時，只有極少量氧化石墨烯被還原。因此，實驗證明該細菌雜化電極能夠用於合成天然代謝產物和多功能材料，並且需要的能量更少。
最後，作者將ITO電極換為TiO2電極，將其與光化學結合。在光敏劑RuP（λmax= 457 nm）存在下，以三乙醇胺為犧牲劑提供電子，利用模擬太陽光照射就可將富馬酸鹽還原為琥珀酸鹽。為了避免犧牲劑的使用，作者在單斜晶體BiVO4上沉積CoOx作為吸光材料，該材料可以有效光解水以獲得電子。結果發現在光照下BiVO4-CoOx光電極結合硫還原地桿菌能夠將富馬酸鹽還原成琥珀酸鹽。利用殺菌劑將電極中的細菌殺死之後，則不能發生該反應，這也證明富馬酸鹽的還原反應是通過細菌的代謝完成的。這些結果都證明了該細菌雜化電極的潛在應用價值。
基於IO-ITO進行生物合成和光電合成。圖片來源：PNAS
總結
本工作設計了一種生物雜化電極，可以將細菌固有的生理功能與人工電子設備聯繫起來，並且允許準確控制系統中反應的進行。該電極具有多孔結構，比表面積大，細菌很容易進入電極內部。在微弱的外加電壓下就可實現重要化合物的合成以及化學材料的修飾，降低了能量消耗。並且將電極材料換為光敏材料時就可直接利用光能合成化學物質。在電極中加入具有共生關係的細菌時可以提高用於合成的電流，使反應體系的設計更加靈活。而在實驗中發現細菌在接觸電極時能夠調節基因表達以適應電極周圍的環境，這又增加了該體系的穩定性以及實用性。隨著基因技術的進步，人們很容易設計新的生物合成途徑，該體系的構建為可持續的能源轉換和化學合成開闢新的道路。
A three-dimensional hybrid electrode with electroactive microbes for efficient electrogenesis and chemical synthesis
Xin Fang, Shafeer Kalathil, Giorgio Divitini, Qian Wang, Erwin Reisner
PNAS, 2020, 117, 5074-5080, DOI: 10.1073/pnas.1913463117
導師介紹
Erwin Reisner
https://www.x-mol.com/university/faculty/2586
（本文由Sunshine供稿）
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