成果簡介

可編程人工光合細(xì)胞是模仿自然光合作用的最終目標(biāo)，通過還原酶選擇向體系集成提供可調(diào)的產(chǎn)品選擇性。然而，這個概念受到再生多個輔助因子的能力的限制，這些輔助因子是各種還原體系的關(guān)鍵。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超副教授、熊宇杰教授等人提出了一種關(guān)于人工光合細(xì)胞的設(shè)計，即使用生物-非生物(類囊體-CdTe)作為雜化能量模塊。其中，類囊體與CdTe量子點的合理整合，通過促進(jìn)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移，在不需要外部補(bǔ)充的情況下，顯著增強(qiáng)了生物活性NADPH、NADH和ATP輔助因子的再生。 特別是，這種方法使類囊體對NADH再生具有高度活性，為人工光合細(xì)胞的編程提供了一個更通用的平臺。這種人工光合細(xì)胞可以通過與多種還原酶偶聯(lián)來編程，例如甲酸脫氫酶和重塑氮酶，分別用于高度選擇性地生產(chǎn)甲酸或甲烷。這項工作為定制人工光合細(xì)胞以滿足二氧化碳轉(zhuǎn)化的各種需求開辟了一條途徑。

相關(guān)工作以《Artificial photosynthetic cells with biotic–abiotic hybrid energy modules for customized CO2 conversion》為題在《Nature Communications》上發(fā)表論文。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 可編程人工光合細(xì)胞的示意圖

本文設(shè)計了一個可編程的人工光合細(xì)胞，通過將類囊體與模型CdTe量子點連接在一起，作為一種特殊的生物-非生物混合能量模塊，該能量模塊提供了多種輔助因子再生的高效能力，為不同的CO2光轉(zhuǎn)化提供動力(圖1)。制備的混合能量模塊(即Tk-CdTe)能夠有效再生多種生物活性輔助因子(NADH，NADPH和ATP)，而不需要外部補(bǔ)充(即補(bǔ)充蛋白和電子介質(zhì))。 具體來說，在類囊體上引入CdTe量子點，通過提供光生電子和促進(jìn)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移，顯著增強(qiáng)了生物活性NADPH、NADH和ATP輔助因子的再生。因此，以NADPH-、NADH-和ATP依賴性的三種CO2還原酶為模型，展示了所設(shè)計的人工光合細(xì)胞中多種CO2轉(zhuǎn)化，分別可得到甲酸鹽和甲烷產(chǎn)物。

圖2. 類囊體-CdTe能量模塊的表征

通過SEM和TEM進(jìn)一步證實了CdTe量子點在類囊體上的負(fù)載。在形成Tk-CdTe雜化結(jié)構(gòu)后，樣品的表面和邊緣與原始類囊體相比變得粗糙(圖2a)。EDS圖譜顯示，樣品中含有類囊體中的鎂元素以及CdTe量子點中的碲和鎘元素(圖2b)。此外，通過靜電相互作用形成的Tk-CdTe雜化結(jié)構(gòu)確保了CdTe量子點在類囊體上的均勻沉積。 值得注意的是，隨著CdTe+濃度的增加，Tk-CdTe的最終形態(tài)并沒有明顯的差異(圖2a、b)。進(jìn)一步使用共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)來可視化分布模式。如圖2c所示，盡管沒有任何染色過程，但Tk-CdTe表面仍保持亮黃色熒光物質(zhì)，這表明CdTe量子點負(fù)載在類囊體上。觀察放大的熒光區(qū)域，發(fā)現(xiàn)黃色熒光CdTe量子點位于紅色熒光類囊體周圍。綜上所述，這些結(jié)果表明CdTe量子點已經(jīng)成功地均勻地涂覆在類囊體表面，形成了所設(shè)計的Tk-CdTe能量模塊。

圖3. 利用類囊體-CdTe能量模塊實現(xiàn)NADPH、NADH和ATP輔助因子的光驅(qū)動再生

在成功構(gòu)建Tk-CdTe能源模塊后，作者試圖探索在多輔因子再生中實施能源模塊的可行性。令人驚訝的是，類囊體與CdTe量子點結(jié)合后，光照后所有輔因子的再生活性顯著增強(qiáng)(圖3)。同時，在0.1 W/cm2的光強(qiáng)下，對輔因子的再生沒有明顯的光熱效應(yīng)。 NADPH是原類囊體可再生的輔助因子。如圖3a所示，盡管類囊體和CdTe量子點由于其光催化活性在光照(0.1 W/cm2)下可以相當(dāng)程度地再生NADPH，但Tk-CdTe 1:1的樣品在60 μg/mL葉綠素(Chl)當(dāng)量下顯示出292.38±9.25 μM的NADPH再生率，分別比原始類囊體和CdTe量子點高4.1倍和3.9倍。 不同的是，NADH是原始類囊體很難再生的輔助因子。

如圖3b所示，當(dāng)Chl當(dāng)量為120 μg/mL時，類囊體再生NADH的產(chǎn)率僅為18.05±1.64 μM。相比之下，CdTe量子點顯示出更高的NADH再生率(59.31±2.09 μM)，而生成的物種沒有生物活性。類囊體與CdTe QDs偶聯(lián)后，可顯著促進(jìn)生物活性NADH的再生。值得注意的是，隨著CdTe量子點含量的增加，Tk-CdTe在NADH再生中的表現(xiàn)為火山曲線，范圍為4.68±0.98 μM至182.22±3.08 μM(圖3b)。 光驅(qū)動ATP再生面臨另一種不同的情況。類囊體在光合作用中的光磷酸化作用使ATP能夠再生，而CdTe量子點在光照(0.1 W/cm2)下不能提供再生ATP的能力。然而，類囊體與CdTe量子點的結(jié)合顯著促進(jìn)了ATP的再生，如圖3c所示，并且隨著CdTe的負(fù)荷量的增加也呈現(xiàn)出火山趨勢。具體來說，Tk-CdTe 1:1在輻照10分鐘后ATP產(chǎn)量最高，約為410 μM，是原始類囊體的1.6倍。

圖4. 整合還原酶與輔因子再生的光驅(qū)動CO2轉(zhuǎn)化

多個輔因子的高效再生為與CO2轉(zhuǎn)化酶一起進(jìn)行光驅(qū)動CO2轉(zhuǎn)化提供了可行性。在進(jìn)行光驅(qū)動CO2轉(zhuǎn)換測量之前，首先檢查了輔因子再生機(jī)制。熒光光譜表征顯示，CdTe量子點的光發(fā)射通過與類囊體的界面被顯著猝滅(圖4a、b)，這表明CdTe中的光激發(fā)電子被轉(zhuǎn)移到類囊體中，抑制了輻射電荷的重組。這一發(fā)現(xiàn)也在瞬態(tài)熒光光譜中通過分析壽命值(圖4c、d)觀察到。

與原始CdTe量子點(24.35 ns)相比，帶正電的CdTe+量子點具有相當(dāng)?shù)钠骄鶋勖?27.95 ns)。與類囊體結(jié)合后，CdTe量子點的壽命明顯降低至7.60 ns。 這些結(jié)果證實了CdTe中的光激發(fā)電子向類囊體轉(zhuǎn)移。為了進(jìn)一步證實這種電子轉(zhuǎn)移行為，使用2,6-二氯酚吲哚酚(DCPIP)作為探針研究了Tk-CdTe體系。如圖4e所示，在光照下，原始類囊體隨著光照時間的延長，DCPIP的吸光度逐漸降低，這意味著來自類囊體的光激發(fā)電子使DCPIP還原。當(dāng)Tk-CdTe比例為1:1時，與類囊體相比，DCPIP的還原明顯加快。由于CdTe量子點本身不能還原DCPIP，DCPIP的加速還原應(yīng)歸因于CdTe量子點向類囊體提供光激發(fā)電子。

圖5. 人工光合細(xì)胞的光驅(qū)動NADH再生和CO2轉(zhuǎn)化

上述結(jié)果表明，光合作用的天然能量機(jī)制可以通過合成成分來設(shè)計，提供了一個平臺，可以奇妙地提高成分的性能。該平臺以一種集成的方式與酶功能耦合，利用光能從二氧化碳中產(chǎn)生增值化合物。 典型的工作流程如圖5a所示，將微流控芯片固定在物鏡表上進(jìn)行實時分析。在聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片中制備了一種直徑約100 μm、邊緣粗糙的微滴。通過共聚焦顯微鏡觀察到合理的組成，表明成功構(gòu)建了所需的人工光合細(xì)胞(圖5b)。在人造細(xì)胞制備完成后，作者通過評估細(xì)胞中的NADH熒光來研究輔助因子的再生活性。

正如預(yù)期的那樣，從熒光上判斷，含有Tk-CdTe的人工細(xì)胞可以有效地再生NADH(圖5c)。 此外，還可以觀察到在10分鐘照明后，Tk-CdTe在細(xì)胞中的NADH再生速率為2.08 μM /μg/mL Chl當(dāng)量，顯著高于其他同類，與早期批量實驗中獲得的速率相當(dāng)(圖3b和5d)。這一結(jié)果表明了Tk-CdTe能量模塊的再生活性。作者接下來測試了含有Tk-CdTe的人工光合細(xì)胞通過酶和底物的共包覆來驅(qū)動單個酶反應(yīng)的能力。事實上，如圖5f所示，照明1小時后，CcFDH產(chǎn)生了~460 μM甲酸鹽，而其他對應(yīng)物的活性則弱得多。該人工光合細(xì)胞的反應(yīng)速率為201.84±23.89 μM mg-1 h-1，內(nèi)部量子效率(IQE)為2.46±0.19%。

文獻(xiàn)信息

Artificial photosynthetic cells with biotic–abiotic hybrid energy modules for customized CO2 conversion，Nature Communications，2023. https://www.nature.com/articles/s41467-023-42591-x