为细菌披上MOF超薄“防护服”，厌氧菌不再怕氧气

出于利用太阳光、捕获二氧化碳同时获得高附加值原料的考虑，以加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的杨培东教授等为代表的科学家们用厌氧菌构造了人工光合作用体系，能够将二氧化碳转变为有用的液态化合物（点击阅读相关）。然而，在固定二氧化碳的同时，体系中也会产生并积累氧气和活性氧，影响着这些厌氧菌的生存，这也成了进一步提高效率的瓶颈之一。有鉴于此，近期杨培东教授（点击查看介绍）和同在UC Berkeley的Omar M. Yaghi教授（点击查看介绍）团队强强联合，通过在厌氧菌Moorella thermoacetica外包裹一层由金属有机框架（MOF）纳米片构成的超薄“防护服”，让厌氧菌在氧气存在环境下的死亡率下降5倍，乙酸的产量提高2倍，同时不影响细菌的繁殖。相关成果发表在PNAS 上，共同第一作者为Zhe Ji和Hao Zhang。

图1. 锆基MOF通过和细菌外表面的磷酸配位包裹在细菌外，并提供降解活性氧的保护功能。图片来源：PNAS

为了在细菌外包裹MOF，研究人员选择在细菌培养液中加入合成好的MOF，这样后续增殖出来的细菌也能被MOF包裹。他们选择的MOF组成为Zr₆O₄(OH)₄(BTB)₂(OH)₆(H₂O)₆（图1A），因为其中的锆氧团簇毒性低且非常稳定，而且能剥离为单层MOF。将MOF在异养培养基中和细菌M. thermoacetica一起培养1 h后，用电子显微镜中就可以看到细菌表面已经覆盖上非常薄的MOF（下文称为“杂化细菌”，图2B-D），能量色散X射线光谱（EDXS）能谱分析（图2E-H）可以确认MOF确实是包裹在细菌外。这可以通过荧光显微镜（MOF和细菌中分别用不同发射波长的小分子和金纳米晶标记）下不同波长荧光的分布和红外中BTB的特征峰验证。对比不同状态下的MOF的粉末X-射线衍射（PXRD）结果（图2I），可以看出在培养基中以及包裹到细菌外之后，MOF的结构没有发生改变。作者还通过电感耦合原子发射光谱（ICP-AES）计算出在杂化细菌中MOF的比重约为6.0%。

图2. MOF杂化细菌的结构和相互作用方式表征。图片来源：PNAS

实验中MOF能够自发包裹在细菌外的现象引起了研究人员的注意，他们认为这是由于MOF中锆上配位的氢氧根和水分子能被磷酸根取代，而细菌细胞壁表面的磷壁酸上就有磷酸基团。考虑到培养液中添加的一种营养成分磷酸甘油酯也有磷酸基团，可能有干扰，作者在没有磷酸甘油酯的培养液中制备杂化细菌（标记为M. thermoacetica–MOF-NP）进行表征。果然，从红外光谱（图2J）中可以看到，杂化细菌在839 cm^-1处的吸收峰是单独的细菌和MOF所没有的。在ZrDMPO，另外合成的一种明确带有磷酸配位的模型MOF的红外光谱中，（Zr）-O-P的振动吸收峰出现在832 cm^-1，进一步证实了细菌通过磷酸基团和MOF发生配位作用。值得一提的是，前面提到通常的培养液中的磷酸甘油酯也能和MOF配位，这解释了M. thermoacetica–MOF中吸收峰的展宽，同时也说明，在普通培养基中细菌和MOF的配位是动态且有竞争性的。这种动态的特点让细菌得以增殖，并且新的细菌也能通过竞争获得配位的MOF。细菌-MOF之间磷酸配位的作用方式也反应在杂化细菌的XPS中磷峰的位移。

那么包裹了MOF的细菌是否能正常地生存呢？从图3A的细胞计数中可以看出，MOF对细菌的生存和增殖几乎没有影响，这可能也是得益于MOF的厚度非常薄以及MOF和细菌之间动态的结合方式，营养物质的扩散没有受到影响。图3B中展示了杂化细菌的增殖过程，对比明场和荧光结果，可以看到在增殖的过程中，绿色荧光标记过的MOF能随着细菌的增殖而变化。

图3. MOF“防护服”不会影响细菌的存活率，在有氧气或者其他活性氧存在的情况下，MOF还能提高细菌的存活率。图片来源：PNAS

该研究中用到的细菌M. thermoacetica被认为是严格厌氧的细菌，但是杂化的细菌在21%氧气的气氛下2天的存活率达到76 ± 8%，和在无氧气氛下的结果相当（图3C）。作为对比，暴露在相同氧气气氛下的普通M. thermoacetica的存活率仅有50 ± 7%。在培养液中额外添加过氧化氢作为活性氧（ROS）后，可以更显著的看到MOF对细菌的保护作用（图3D和3F）。

MOF提升细菌对ROS的耐受性的能力应该是源于它催化ROS分解的能力，为了验证这一猜想，作者测量不同温度、浓度下过氧化氢分解的速率，得到反应的活化能和二阶速率常数，发现MOF的催化能力远高于具有相似的催化活性位点的氧化锆。细胞实验也表明，MOF能保护细菌而相同质量的氧化锆则几乎没有保护能力。

图4. MOF对活性氧（过氧化氢）的降解能力。图片来源：PNAS

那么，这种用MOF保护细菌的技术有什么应用呢？研究人员关注一个例子：在用这种细菌构建人工光合作用系统将二氧化碳转化为乙酸时，会伴随着氧气的产生（2%）。他们发现，在这种情况下，没有MOF保护的细菌只能正常工作1天，而包裹了MOF的杂化细菌能够持续工作2.5天，产生的乙酸的量是原来的2倍。

图5. 在2%气氛下，MOF的保护能让细菌产生的乙酸加倍。图片来源：PNAS

这个工作创造性的使用MOF保护细菌免受光合作用中产生的活性氧的损伤，从而固定更多的二氧化碳，这使得基于厌氧菌的人工光合系统距离实用性又前进了一步。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Cytoprotective metal-organic frameworks for anaerobic bacteria

Zhe Ji, Hao Zhang, Hao Liu, Omar M. Yaghi, and Peidong Yang

PNAS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1808829115

导师介绍

杨培东

http://www.x-mol.com/university/faculty/761

Omar M. Yaghi

http://www.x-mol.com/university/faculty/36

（本文由荷塘月供稿）