构建人工光合作用高效固定CO2

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

太阳能是地球生态系统和可持续发展的基本能源。通过光合作用将无机碳转化为有机物，被认为是地球上至关重要的生物学基础和全球过量排放CO₂挑战的有效应对。在地球生物体系上存在两大主要的捕光系统，分别是叶绿素和视紫红质（rhodopsin）。基于叶绿素的系统常见于植物和藻类，这个系统很复杂，涉及复杂多种蛋白协同作用。到目前位置，基于叶绿素的光合作用还未能在其他非天然光合作用生物中实现。相比而言，视紫红质是基于单一蛋白的捕光系统，一种结构简单的光合作用系统，广泛存在于海洋、土壤等环境的微生物中，并在微生物的能量代谢中扮演着关键的角色。有趣的是叶绿素和视紫红质捕光的波长范围是互补的。尽管近年的研究中发现，微生物视紫红质（microbial rhodopsin）作为一种质子泵蛋白可以吸收光能产生质子动能势，从而促进微生物产生能量。然而，微生物视紫红质对微生物固定二氧化碳的具体作用和机制尚不清晰。

牛津大学工程系黄巍教授团队经过前期一系列研究，提出将视紫红质的质子泵功能与微生物的胞外电子传递机制相结合，基于非光合微生物Ralstonia eutropha H16建立了全新的人工光合作用系统。相关工作的研究论文发表在Nature Communications 上。

图1. 人工光合作用系统的建立。通过合成生物学的方法使模式微生物R. eutropha表达Gloeobacter rhodopsin（GR）光合系统和电子传递蛋白MtrCAB。R. eutropha工程菌可以通过GR将光能转化为化学能，并通过Mtr路径和胞外电子载体核黄素（flavin）从光-电化学系统获得电子，从而实现光驱动CO₂固定。图片来源：Nat. Commun.

该人工光合系统以光能为唯一能源，一方面通过太阳能板驱动电化学系统电解水释放电子，并通过胞外电子传递途径将电子传递给R. eutropha工程菌生成还原力NAD(P)H；另一方面视紫红质利用光能产生质子动能势，从而驱动电子的反向传递和ATP的形成。R. eutropha工程菌以NAD(P)H和ATP为动力，驱动二氧化碳固定并进行生物合成。

视紫红质作为光驱动的质子泵在光照条件下将质子从胞内泵入细胞周质，产生质子动能势。质子动能势可用于ATP合成等细胞能量代谢。但是，由于不产生电子，视紫红质不足以单独驱动碳还原反应。受叶绿素的光合作用裂解水的启发，黄巍教授团队建立了一套太阳能-电化学系统以用于分解水产生电子。该系统通过稳压器将工作电压设置为低于氢析出的电位，使得电子只通过胞外电子传递的方式进入细胞。

R. eutropha的电活性并不明显，尽管它可以通过电子载体核黄素为介导从阴极获得电子，但是电子传递效率总体偏低。因此，作者将电活性微生物Shewanella oneidensis MR-1的胞外电子传递蛋白MtrCAB在R. eutropha中异源表达，提高胞外电子传递效率。同时，在R. eutropha中异源表达来自Gloeobacter violaceus pcc 7421的视紫红质Gleobacter rhodopsin (GR)。相比于常见的视紫红质proteorhodopsin (PR)，GR具有高蛋白周转率以及强pH耐受性等优势。

图2. 人工光合作用和叶绿素光合作用的原理对比。人工光合作用通过引入光-电化学系统模仿光合系统II用于分解水产生电子，利用视紫红质模仿光合系统I产生质子动能势用于驱动还原力的合成。图片来源：Nat. Commun.

黄巍教授为本文的通讯作者，牛津大学博士研究生涂伟明为本文的第一作者。该研究英国工程与自然科学研究理事会（EPSRC）的资助。

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Engineering artificial photosynthesis based on rhodopsin for CO₂ fixation

Weiming Tu, Jiabao Xu, Ian P. Thompson & Wei E. Huang 

Nat. Commun., 2023, 14, 8012, DOI: 10.1038/s41467-023-43524-4

相关文献

Tu, W., & Huang, W. E. (2023). Rhodopsin driven microbial CO₂ fixation using synthetic biology design. Environmental Microbiology, 25 (1), 126. https://doi.org/10.1111/1462-2920.16243 

Davison, P. A., Tu, W., Xu, J., Della Valle, S., Thompson, I. P., Hunter, C. N., & Huang, W. E. (2022). Engineering a rhodopsin-based photo-electrosynthetic system in bacteria for CO₂ fixation. ACS Synthetic Biology, 11(11), 3805-3816. https://doi.org/10.1021/acssynbio.2c00397 

作者简介

通讯作者：黄巍

牛津大学工程系生物工程教授，Fellow of St Edmund Hall，国际期刊Environmental Microbiology, Microbial Biotechnology编辑。黄巍教授的研究领域包括合成生物学和单细胞生物学及应用技术。他提出可自由编程的SimCell作为合成生物学平台技术；构建人造光合作用新型生物系统，是国际上拉曼-单细胞技术研究的先驱之一，提出并发展了拉曼分选，拉曼-荧光及同位素探针，提出构建基于微生物视紫红质的新光合作用体系用于固定CO₂，牛津新冠病毒快速检测试剂盒联合发明人，近年来在Nature 子刊, PNAS, Advanced Science, ISME J等期刊发表学术论文140余篇。

课题组详见

https://eng.ox.ac.uk/people/wei-huang/ 

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：多年来，科学家一直认为微生物是利用叶绿素捕获了海洋中大部分的太阳能。近年的研究发现，在海洋中的另一种色素，微生物视紫红质也同样重要。拥有视紫红质的细菌把光能转化为化学能，促进细胞生长。但关键的问题仍未得到解决，细胞如何使用视紫红质产生的能量，它在碳固定或碳循环中扮演着什么样的角色？我们前期的工作表明，视紫红质可以促进微生物进行生物合成，但是不能单独驱动CO₂固定。受自然光合作用启发，我们认为视紫红质系统缺少电子传递相关的机制。我们通过猜想和论证，提出将视紫红质产生的质子动能势和胞外电子传递机制结合，并利用合成生物学在模式微生物R. eutropha中建立了一套新的光能呼吸链，驱动其光合固定CO₂。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：这项研究涉及多个学科的交叉，包括光学、电化学、合成生物学和工程学等，因此面临着许多挑战。最重要的挑战是如何整合电子转递和质子驱动的ATP合成通路，以实现阴（电子）阳（质子）驱动的人造光合作用系统。一方面，蛋白质（如Mtr）等膜蛋白）的表达，可以直接从物理电极和电子传递分子（riboflavin）获得电子。另一方面，视紫红质（rhodopsin）的表达，可以驱动ATP合成和NADH/NADPH的再生。

Q：该研究成果有哪些重要意义？可能有哪些重要应用？

A：我们成功将一个非光合作用微生物转化成光合作用微生物。这种合成生物学设计，从理论上讲，可以将任何微生物变成可以利用光能的微生物。这项研究总体而言具有两方面的重要意义。从环境生物学和生态学的角度来看，该研究提供了关键证据，即通过视紫红质与胞外电子的结合，微生物能够利用这一能量机制进行二氧化碳固定。这一发现有望帮助我们重新理解广泛存在于环境中的视紫红质在全球碳循环中的作用。在工业应用方面，这一人工光合系统目前的效率可达到约5%，大约5倍高于藻类和植物的固碳效率。此外，该系统还具备低能耗、低成本，可设计等优势。我们正在与相关团队合作，致力于扩大这一体系的规模，使其能成为一项成熟且具有广泛应用潜力的固碳技术。