2023年4月4日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃鑫團隊在《Nature Communications》發(fā)表了一篇題為Algal cell bionics as a step towards photosynthesis-independent hydrogen production的研究論文。該論文揭示了藻類細胞仿生學(xué)對非光合作用制氫的重要意義。
藻類細胞產(chǎn)生氫氣的工程化早在1942年就開始了，基于利用光能捕獲系統(tǒng)中的電子，在光合電子傳遞鏈的還原端驅(qū)動氫酶活性。然而，光合產(chǎn)氫是短暫的，通常僅在黑暗-光亮轉(zhuǎn)換期間持續(xù)幾分鐘，因為伴隨產(chǎn)生的光合氧強烈抑制了氫酶的活性。因此開發(fā)了基于厭氧發(fā)酵、呼吸增強、營養(yǎng)剝奪和耐氧氫化酶基因工程的策略，以消除氧氣產(chǎn)生的負面影響。此外，最近的研究表明，誘導(dǎo)藻類細胞聚集，作為在空氣中創(chuàng)造局部缺氧條件的策略是可行的。
本研究中開發(fā)了一種細胞仿生方法，將活體藻類細胞與導(dǎo)電聚合物的超薄外殼以及碳酸鈣外骨骼相結(jié)合，形成一個離散的細胞微環(huán)境，能夠持續(xù)進行光合和非光合作用氫氣。表面增強的藻類細胞引起氧氣消耗，并提供結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性，共同產(chǎn)生了局部缺氧條件和與之相伴隨的氫酶活性，使其可以在空氣中發(fā)生作用。
為了證實外部電子在氧濃度降低情況下的光合反應(yīng)，作者測量了葉綠素?zé)晒馑矐B(tài)曲線和熒光動力學(xué)參數(shù)，以評估PSII對光能的吸收和捕獲，以及隨后的光合電子轉(zhuǎn)移過程。熒光實驗表明，對于在外部介質(zhì)中添加EY和TEOA的PPy/CaCO3包被細胞，葉綠素?zé)晒馇€中的Fm增加，表明PSII中D1蛋白的活性增強，從而有助于PSII電子受體的更高效率。此外，觀察到了提高的電子傳輸量子產(chǎn)率（φEo），表明從PSII捕獲的光能更高效地用于隨后的傳遞過程。結(jié)合增強的Sm值，可以推測PQ庫被擴大，更多電子通過光合作用鏈傳遞。此外，PSII反應(yīng)中心的密度也增加，如每個CSm上減少的PSII中心數(shù)（RC/CSm）的改善所示。在光系統(tǒng)的特定能量通量方面，對于存在EY和TEOA的PPy/CaCO3包被細胞，單位激發(fā)截面（CSm）的吸收能量（ABS/CSm）和捕獲能量（TRo/CSm）均得到增強，表明葉綠素吸收了更多光能，然后用于QA的還原。此外，單位CSm的電子轉(zhuǎn)移能量（ETo/CSm）和還原終點電子受體（REo/CSm）也增加，表明還原的QA與電子傳輸?shù)脑傺趸纳?，并且更多的電子達到了電子傳遞鏈的末端。這些觀察結(jié)果揭示了外部電子參與了小球藻細胞光合作用途徑，并提高了光能吸收、捕獲和傳遞的所有效率。因此，基于吸收（PIabs）、截面（PIcs）和能量轉(zhuǎn)換（PItotal）的性能指數(shù)以及Fv/Fm值均得到了顯著改善，表明PPy/CaCO3包被小球藻細胞成功內(nèi)化了外部電子，并增強了光活性。
本研究中熒光實驗所用的儀器是由北京雅欣禮儀科技有限公司自主研發(fā)的葉綠素?zé)晒猓?/span>Yaxin-1161G），該儀器是一款對葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)過程實現(xiàn)全面測量的精密儀器。測量過程都在人工光源下，最大限度避免了外界雜散光的干擾。以瞬態(tài)熒光方法為基礎(chǔ)，結(jié)合調(diào)制與非調(diào)制的功能形成Yaxin-1161G的測量方法。它是對PSⅠ、PSⅡ工作狀況進行分析的探針性工具，對熒光動力學(xué)的快相和慢相均可觀測。更先進的產(chǎn)品已經(jīng)上市，分別有Yaxin-1165植物熒光動力學(xué)測量系統(tǒng)和Yaxin-1168藻類熒光動力學(xué)測量系統(tǒng)。
本研究展示了一種細胞仿生學(xué)方法來增強綠色氫能的產(chǎn)生，將人工生物氫產(chǎn)生途徑與自然光合作用集成到表面增強的藻類細胞中。基于活細胞和聚合物/無機雜化材料主動接口的方法，可以提供新的生物強化平臺，并有助于開發(fā)新型的細胞活體材料和微生物細胞工廠，這些工廠在可持續(xù)能源生產(chǎn)和綠色生物制造中具有潛在應(yīng)用。
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