細菌胞內(nèi)的生物電子沿著位于細胞內(nèi)膜上的氧化呼吸鏈傳遞向下游傳遞，在內(nèi)膜建立跨膜質(zhì)子梯度，從而驅(qū)動ATP合酶產(chǎn)生ATP。周質(zhì)空間是位于細菌內(nèi)外膜之間的狹窄空間，如果能將半導體納米顆粒定向在周質(zhì)空間內(nèi)合成，光生電子可在物理空間更接近氧化呼吸鏈，利于光生電子進入氧化呼吸鏈并傳遞，進而驅(qū)動ATP的合成。我們應如何在細菌周質(zhì)空間定向合成納米材料、構(gòu)建獨特材料-細菌雜合體？

近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所高翔課題組與美國芝加哥大學田博之課題組，報道了新型“人工光細胞”構(gòu)建方法，將半導體材料吸收光能產(chǎn)生電子有效轉(zhuǎn)化為生物能，使不能利用光能的工業(yè)發(fā)酵微生物有效利用光能。該團隊受自然界中材料-生物界面的啟發(fā)，例如厘米尺度的動物鱗片與表皮細胞，微米尺度鈣板金藻外殼材料與細胞之間，均形成具有保護功能的外殼材料?？蒲腥藛T構(gòu)思了在大腸桿菌的周質(zhì)空間中定向合成CdS半導體材料，為其裝上納米光伏顆粒的外殼，合成新型生物界面的設計思路。

該團隊通過在大腸桿菌周質(zhì)空間靶向合成半導體材料（納米光伏顆粒），將半導體材料吸收光能產(chǎn)生的電子高效轉(zhuǎn)化為細菌胞內(nèi)的生物能。具體來說，研究在通過大腸桿菌在胞內(nèi)利用半胱氨酸（Cys）合成H2S。因H2S具有極高的膜通透性（比水分子高3個數(shù)量級），可快速擴散至周質(zhì)空間并與攝入到周質(zhì)空間的Cd²⁺反應，形成相應的CdS納米顆粒外殼。 科研團隊使用基于同步加速器的3D-X射線熒光光譜（3D X-ray fluorescence）和描透射電子顯微鏡 （STEM）確認大腸菌成功合成CdS納米顆粒；制備材料-細菌雜合體的超薄切片，通過STEM分析發(fā)現(xiàn)CdS納米顆粒主要分布在周質(zhì)空間內(nèi)、大小約為29.3 nm、結(jié)晶度低；進一步利用超聲破碎細胞、溶劑提取和分散細菌中的CdS納米顆粒，發(fā)現(xiàn)其大小僅為6 nm左右、結(jié)晶度提高，說明周質(zhì)空間原位合成納米顆?？赡転槎鄠€CdS“納米團簇“（nanoclusters）（約5個）、結(jié)晶度降低，但賦予了生物雜合體熒光特性，而熒光成像和熒光光譜表明周質(zhì)空間合成的CdS納米團簇是亞穩(wěn)態(tài)的，主要是無序和富含缺陷的聚集體。 　

為了探討CdS形成的機制，研究人員對周質(zhì)空間原位合成CdS納米團簇的細菌進行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)細菌中與H2S合成相關的基因（cysK、dcyD、cysM、metB、metC和sufS等）、外排泵相關基因（tolC、cueO和macA等）均顯著上調(diào)，表明Cd²⁺被細菌吸收進入周質(zhì)空間和胞內(nèi)，胞內(nèi)的Cd²⁺通過細菌外拍泵又被轉(zhuǎn)移至周質(zhì)空間（降低重金屬離子對細胞的毒性），而H2S具有極高的細胞膜穿透能力，快速從胞內(nèi)進入周質(zhì)空間，與Cd²⁺反應合成CdS納米顆粒。因此，CdS在大腸桿菌的周質(zhì)空間內(nèi)形成。

轉(zhuǎn)錄組顯示，在光照的條件下，周質(zhì)空間內(nèi)合成CdS的細菌雜合體與氧化呼吸鏈相關的基因（包括甲酸脫氫酶、NADH脫氫酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、d -乳酸脫氫酶和葡萄糖脫氫酶）和ATP合成酶相關基因均顯著上調(diào)，表明CdS吸收光能產(chǎn)生的電子加速了細菌氧化呼吸鏈電子傳遞速率，因此可能提高ATP的合成。為了驗證這一推測，研究人員對雜合體胞內(nèi)ATP濃度進行分析發(fā)現(xiàn)，雜合體在光照條件下比黑暗條件下的ATP高8.1倍，并應用于提高ATP推動的合成途徑的代謝通量。 

相關研究成果發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）上。研究工作得到深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等的支持。