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太阳光助力大肠杆菌生产航空燃油

微生物是地球生态系统的基础,人类很早就开始利用微生物资源,例如北魏时期就有利用酒曲酿酒的技术。近年来,随着合成生物学和代谢工程的快速发展,人类利用微生物资源的深度和广度在不断加强。使用细菌等微生物将廉价的工业原料转化为高附加值化学品已经成为引领21世纪经济发展的重要新兴技术产业,抗疟疾药物青蒿素、抗癌药物紫杉醇、生物乙醇等都已经通过微生物细胞工厂实现了工业化生产。基于微生物合成高附加值化学品具有效率高、成本低、绿色环保等突出优势。如何提高微生物细胞工厂的生物合成效率是研究者广泛关注的重难点问题。


生物合成的本质是一系列的氧化还原反应,NADPH是微生物中一种非常重要的还原型辅酶,它和能量载体ATP一起驱动微生物中的氧化还原反应。提高细菌等微生物中的NADPH含量有望提升高附加值化学品的生物合成效率。


太阳能是重要的清洁能源,开发高效的太阳能利用方法、摆脱对传统化石能源的依赖是实现“碳达峰、碳中和”宏伟目标的重要途径。近日,袁荃教授(点击查看介绍)团队和刘天罡教授(点击查看介绍)团队合作设计了一种利用太阳能来提高微生物中NADPH含量,从而提高精细化学品合成效率的新策略。该团队利用介孔氧化铝吸收光能,并将能量以长寿命自由电子的形式传递给工程大肠杆菌,将工程大肠杆菌中NADPH的水平提高了100% 以上,工程大肠杆菌合成的航空燃油法尼烯的产量同样提高了100% 以上。


研究人员证明介孔结构有效增加了氧化铝中的晶体缺陷。晶体缺陷不仅能够作为电子跃迁的中间能级将氧化铝的吸收光谱拓宽至可见光区,而且能够作为陷阱捕获自由电子、延长自由电子的寿命。介孔氧化铝在可见光区表现出强吸收,而且光生电子寿命长达160 ms以上,能够在激发光关闭后产生明亮的长余辉发光。介孔氧化铝产生的长寿命光生电子能够有效通过“材料—细菌”界面,进入工程大肠杆菌内部促进NADPH的再生,进一步使工程大肠杆菌中法尼烯的产量提高1倍以上。

图1. 介孔氧化铝中缺陷介导的长寿命光生电子能够提高工程大肠杆菌中NADPH的含量和法尼烯的生产效率


进一步,研究者利用基因编辑技术研究了电子从介孔氧化铝传递给大肠杆菌的可能途径。大肠杆菌能够通过静电引力吸附在介孔氧化铝表面,而大肠杆菌表面富含细胞色素c、菌毛蛋白等导电蛋白。分别敲除大肠杆菌中的细胞色素c和菌毛蛋白的基因后,介孔氧化铝和大肠杆菌之间的电子传递效率急剧降低,说明细胞色素c和菌毛蛋白在电子传递过程中发挥了至关重要的作用。

图2. 细胞色素c和菌毛蛋白在介孔氧化铝和工程大肠杆菌之间的电子传递过程中发挥了重要作用


这种利用长寿命发光材料驱动生物合成的策略为固体材料缺陷调控、长寿命光生电子形成、微生物细胞工厂合成效率提升、太阳能利用等领域提供了新思路。


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):

Solar‐driven Overproduction of Biofuels in Microorganisms

Jie Wang, Na Chen, Guangkai Bian, Xin Mu, Na Du, Wenjie Wang, Chong-Geng Ma, Shai Fu, Bolong Huang, Tiangang Liu, Yanbing Yang, Quan Yuan

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202207132


导师介绍

袁荃

https://www.x-mol.com/university/faculty/13606 

刘天罡

https://www.x-mol.com/university/faculty/50001 


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