當它們相遇後會產生“超級微生物” 嗎?
2019年06月18日09:37

  來源:科學大院

  超級英雄是怎麼誕生的?鐵甲奇俠告訴你:電磁石心臟+鋼鐵盔甲。

  (圖片來源:http://ent.people.com.cn/GB/8222/86596/121808/121810/7185989.html)

  俄羅斯公司所推出的軍用外骨骼裝備(圖片來源:http://k.sina.com.cn/article_6709961827_18ff1e46300100cv6s.html?from=mil)

  超級戰士是怎麼誕生的?俄羅斯人告訴你:軍用外骨骼。他們早在2015年就嚐試配發裝備有第二代外骨骼的單兵作戰系統,該系統可有效分擔士兵身上大約95%的負荷。

  看,當人類希望提升自身機能時,想到的第一方案是開“外掛”。

  那麼當人類對微觀生命體的能力不太滿意時,會怎樣去改造它們呢?除了對微生物進行遺傳操作賦予它們新的能力,給它們配備比較另類的“裝備”也是可行的方法,比如半導體。

  下面我們來看看微生物和半導體的組合能夠產生什麼火花。

  熱醋穆爾氏菌+硫化鎘=更多能量

  第一對組合由著名的華裔化學家與材料科學家楊培東教授的團隊“撮合”,組合的雙方分別是能夠固定CO2的非光合微生物熱醋穆爾氏菌和半導體材料硫化鎘。

(圖片來源:UC Berkeley)
(圖片來源:UC Berkeley)

  太陽能是目前我們所知最大的能量來源,人類主動捕獲太陽能主要通過無機的固態材料和生物的光合作用系統。儘管固態半導體光吸收器的捕光效率通常要高於生物的捕光效率,但是將捕集到的光電子轉化為穩定的化學能對於非生物的催化劑卻不是一件容易的事。光合生物的捕光效率雖然不占優勢,但是在將電能轉化為穩定的化學能方面很出色,在將CO2固定成多碳化合物的過程中,光合生物會把收集到的能量貯存到多碳化合物的化學鍵之中。

葉綠體中光合作用的原理圖(圖片來源:Thomas Hauser et al。,2015,Nature plants)
葉綠體中光合作用的原理圖(圖片來源:Thomas Hauser et al。,2015,Nature plants)

  如果把半導體高效的捕光性能和固碳生物優秀的能量轉化以及儲存能力整合到一起,這種“超級微生物”就可以捕獲更多能量了!於是問題就來了:究竟該選擇哪種半導體材料和哪種固碳的微生物?

  目前自然界發現的固定CO2的途徑一共有6種,我們最熟悉的光合作用中Calvin-Benson循環雖然固定了大氣中大部分的CO2,但是它的固碳和能量效率其實不高。從固碳的角度來看,Calvin-Benson循中直接固定CO2的酶的催化效率僅為每秒2-5個CO2分子,從能效的角度看,對於生長在熱帶和溫帶的糧食作物其量子效率一般不超過1%,而即使是在反應器中培養的藻類也僅為3%左右。

  在對不同固碳途徑的熱動力學進行比較時,一個叫做Wood-Ljungdahl的固碳途徑由於其固碳所具有的能量優勢脫穎而出,在將CO2固定成丙酮酸的過程中, 與Calvin-Benson需要7個ATP和5個還原力相比,它只需要1個ATP和5個還原力(還原力是一類能夠作為生物能量載體、傳遞電子的化合物或者蛋白的統稱,常見的包括NADH,NADPH,FMN和FAD)。 該途徑可以先將CO2轉化成乙酰輔酶A,再轉化成乙酸排出體外,而這兩種化合物均可以被微生物升級成經濟價值更高的化合物,比如一些含有6個碳的酸。

  擁有這個途徑的一種微生物叫做熱醋穆爾氏菌(Moorella thermoacetica),這種微生物同時還能夠將一種半導體材料硫化鎘沉積到自己的表面,這樣以來固碳和捕光的對象就都有了,把它們倆組合也是順利成章的事了。

  那這一菌一半導體具體是怎樣被結合的呢?具體的過程是在培養熱醋穆爾氏菌的時候添加半胱氨酸,作為硫源,再等到它的生長狀態比較好的時候將鎘離子Cd2+以Cd(NO3)2的形式加入培養基,這時形成的硫化鎘(CdS)納米粒子便會附著到熱醋穆爾氏菌的表面,兩者形成一個共生體。

  這個共生體對光的利用分為兩個步驟,首先是CdS將從太陽光所吸收的能量轉化成電子,這些電子又能促進還原力[H]的形成,還原力的形成又會使得CO2能夠經由Wood-Ljungdahl途徑轉化成乙酸,再進一步轉化成熱醋穆爾氏菌生長所需的各種物質。

熱醋穆爾氏菌-硫化鎘的反應原理 (圖片來源:Kelsey K。 Sakimoto et al。, 2016, Science)
熱醋穆爾氏菌-硫化鎘的反應原理 (圖片來源:Kelsey K。 Sakimoto et al。, 2016, Science)

  科學家觀察了這種共生體的生長情況,發現這種附著了硫化鎘的熱醋穆爾氏菌能夠繼續繁殖,它將所固定的CO2中的10%用來長身體,其餘90%基本全部轉化為乙酸了,從能效的角度看,在模擬太陽光的照射下,共生體的量子效率最大達到了2.4%,超過了一般植物和藻類年平均量子效率1個數量級。 硫化鎘還對熱醋穆爾氏菌有保護作用,如果把硫化鎘移除,讓熱醋穆爾氏菌獨自在施加光照的條件下生長,一天之後基本就全部死掉了,培養基中添加硫化鎘情況則會有所好轉。

  未來,科學家的目標一方面是找出更加廉價的原料來替代半胱氨酸形成CdS,拓展可沉澱到細菌表面的半導體材料的種類,節約成本,另一方面則是需要借助合成生物學的手段對熱醋穆爾氏菌進行改造,儘可能使得最終的產物乙酸升級成其它高值化合物的過程也能夠發生在菌內。

  釀酒酵母+磷化銦=為“勞模”充電

  在現代的生物化工行業里,微生物是生產各種化學品的細胞工廠,釀酒酵母和大腸杆菌才是這個領域真正的超級巨星和生產力擔當,為它們找到合適的半導體材料可能實際收益更大。

  因此這第二個組合是釀酒酵母和另一種半導體材料磷化銦(InP)的故事,是由哈佛大學Neel S。 Joshi教授團隊撮合的。

  生物體內的代謝網絡是很複雜的,簡單來看可以分成合成代謝和分解代謝,合成代謝是將相對比較簡單的代謝物轉化為細胞大分子的過程,這個過程需要能量(ATP)和還原力(NADH,NADPH,FADH2等),而分解代謝是將細胞內的含能營養物轉化成幾種基本化合物的過程,這個過程會為細胞提供能量和還原力。

合成代謝和分解代謝的能量關係 (圖片來源:David L。 Nelson et al。, 2013)
合成代謝和分解代謝的能量關係 (圖片來源:David L。 Nelson et al。, 2013)

  讓釀酒酵母產更多的莽草酸是撮合釀酒酵母和磷化銦最直接的原因。釀酒酵母可以產生燃料、藥物、生物材料等化合物,它所產生的莽草酸是一些藥物和精細化學品通用的前體化合物。莽草酸算是處於合成代謝途徑中的一個化合物,它的合成需要還原力,而細胞體內還原力主要是由PPP途徑(戊糖磷酸途徑)供應的。

莽草酸途徑和其它代謝途徑的關係(圖片來源:Lyndsay E。 Saunders et al。, 2015, Toxics)
莽草酸途徑和其它代謝途徑的關係(圖片來源:Lyndsay E。 Saunders et al。, 2015, Toxics)

  PPP途徑在細胞內主要起兩個作用,除過提供合成代謝所需的還原力,另一個重要的功能是代謝途徑中不同數目碳原子的化合物為體內各種生物分子的合成提供了前體,但是這個途徑的一個特點是每運轉一次產生還原力的同時會釋放出一個CO2,這就造成了碳的損失,導致最終可以轉化成莽草酸的碳源減少。

  葡萄糖-6-磷酸 + 2NADP+ + H2O —> 核酮糖-5-磷酸 + 2NADPH + 2H+CO2

  PPP途徑總的反應式

  考慮到半導體材料能將光能轉化成電子,進而再被微生物轉化成還原力,如果能以半導體加光能替代PPP途徑為莽草酸的合成提供還原力,那麼就不會浪費多餘的碳源。磷化銦由於能夠吸收大部分的太陽能譜,和氧共存時比較穩定以及良好的生物相容性被科學家選中。

釀酒酵母和磷化銦的組裝過程 (圖片來源:Junling Guo et al。, 2018, Science)
釀酒酵母和磷化銦的組裝過程 (圖片來源:Junling Guo et al。, 2018, Science)

  具體的組裝過程是先將磷化銦納米顆粒和多酚組裝起來,之後借助多酚與細胞壁的相互作用將磷化銦組裝到釀酒酵母細胞表面。之後的測試結果表明,儘管表面組裝的這層半導體材料使得釀酒酵母消耗葡萄糖的能力減弱了,但是莽草酸的產率卻是有所提升的,這初步證明利用這種“半導體鎧甲”的光電轉化能力是有效提供還原力的手段。

  除了莽草酸之外,這種半導體鎧甲還能在其它什麼樣的場景下發揮作用呢?在釀酒酵母內有一些生物堿,合成它們可能需要超過10個依賴於NADPH並且結合在膜上的細胞色素P450氧化還原酶,增強原力的供應可能也是提高這些化合物的產率的一個可行的策略。

  對於這種半導體鎧甲,未來的目標一是開發適配大規模應用發酵罐的光源,二是嚐試將這些半導體鎧甲裝備給其它勞模微生物,在不同的細胞工廠中去發光發熱。

  從“超級微生物”到“超級工廠”

  以上提及到的兩個故事在概念上具有很強的創新性,在實驗室的條件下也有一定的可行性。雖然在實驗室中利用細胞工廠生產各種化合物不難,但是,生物化工行業的要求是在成本可控的前提下實現過程放大,如果在成本和過程放大方面的問題解決不了,實際的意義也是有限的。

  因此,這種將微生物和半導體材料所形成的雜合系統會對人類社會產生實在的影響嗎?科學家們可能還有很長的路要走,這兩個方面的問題也是接下來應該努力的方向。

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