当它们相遇后 会产生“超级微生物” 吗？
超级英雄是怎么诞生的？钢铁侠告诉你：电磁石心脏+钢铁盔甲。
（图片来源：http://ent.people.com.cn/GB/8222/86596/121808/121810/7185989.html）
俄罗斯公司所推出的军用外骨骼装备（图片来源：http://k.sina.com.cn/article_6709961827_18ff1e46300100cv6s.html?from=mil）
超级战士是怎么诞生的？俄罗斯人告诉你：军用外骨骼。他们早在2015年就尝试配发装备有第二代外骨骼的单兵作战系统，该系统可有效分担士兵身上大约95%的负荷。
看，当人类希望提升自身机能时，想到的第一方案是开“外挂”。
那么当人类对微观生命体的能力不太满意时，会怎样去改造它们呢？除了对微生物进行遗传操作赋予它们新的能力，给它们配备比较另类的“装备”也是可行的方法，比如半导体。
下面我们来看看微生物和半导体的组合能够产生什么火花。
热醋穆尔氏菌+硫化镉=更多能量
第一对组合由著名的华裔化学家与材料科学家杨培东教授的团队“撮合”，组合的双方分别是能够固定CO2的非光合微生物热醋穆尔氏菌和半导体材料硫化镉。
（图片来源：UC Berkeley）
太阳能是目前我们所知最大的能量来源，人类主动捕获太阳能主要通过无机的固态材料和生物的光合作用系统。尽管固态半导体光吸收器的捕光效率通常要高于生物的捕光效率，但是将捕集到的光电子转化为稳定的化学能对于非生物的催化剂却不是一件容易的事。光合生物的捕光效率虽然不占优势，但是在将电能转化为稳定的化学能方面很出色，在将CO2固定成多碳化合物的过程中，光合生物会把收集到的能量贮存到多碳化合物的化学键之中。
叶绿体中光合作用的原理图（图片来源：Thomas Hauser et al.,2015,Nature plants）
如果把半导体高效的捕光性能和固碳生物优秀的能量转化以及储存能力整合到一起，这种“超级微生物”就可以捕获更多能量了！于是问题就来了：究竟该选择哪种半导体材料和哪种固碳的微生物？
目前自然界发现的固定CO2的途径一共有6种，我们最熟悉的光合作用中Calvin-Benson循环虽然固定了大气中大部分的CO2，但是它的固碳和能量效率其实不高。从固碳的角度来看，Calvin-Benson循中直接固定CO2的酶的催化效率仅为每秒2-5个CO2分子，从能效的角度看，对于生长在热带和温带的粮食作物其量子效率一般不超过1%，而即使是在反应器中培养的藻类也仅为3%左右。
在对不同固碳途径的热动力学进行比较时，一个叫做Wood-Ljungdahl的固碳途径由于其固碳所具有的能量优势脱颖而出，在将CO2固定成丙酮酸的过程中， 与Calvin-Benson需要7个ATP和5个还原力相比，它只需要1个ATP和5个还原力（还原力是一类能够作为生物能量载体、传递电子的化合物或者蛋白的统称，常见的包括NADH,NADPH,FMN和FAD）。 该途径可以先将CO2转化成乙酰辅酶A，再转化成乙酸排出体外，而这两种化合物均可以被微生物升级成经济价值更高的化合物，比如一些含有6个碳的酸。
拥有这个途径的一种微生物叫做热醋穆尔氏菌（Moorella thermoacetica），这种微生物同时还能够将一种半导体材料硫化镉沉积到自己的表面，这样一来固碳和捕光的对象就都有了，把它们俩组合也是顺利成章的事了。
那这一菌一半导体具体是怎样被结合的呢？具体的过程是在培养热醋穆尔氏菌的时候添加半胱氨酸，作为硫源，再等到它的生长状态比较好的时候将镉离子Cd2+以Cd(NO3)2的形式加入培养基，这时形成的硫化镉（CdS）纳米粒子便会附着到热醋穆尔氏菌的表面，两者形成一个共生体。
这个共生体对光的利用分为两个步骤，首先是CdS将从太阳光所吸收的能量转化成电子，这些电子又能促进还原力[H]的形成，还原力的形成又会使得CO2能够经由Wood-Ljungdahl途径转化成乙酸，再进一步转化成热醋穆尔氏菌生长所需的各种物质。
热醋穆尔氏菌-硫化镉的反应原理 （图片来源：Kelsey K. Sakimoto et al., 2016, Science）
科学家观察了这种共生体的生长情况，发现这种附着了硫化镉的热醋穆尔氏菌能够继续繁殖，它将所固定的CO2中的10%用来长身体，其余90%基本全部转化为乙酸了，从能效的角度看，在模拟太阳光的照射下，共生体的量子效率最大达到了2.4%，超过了一般植物和藻类年平均量子效率1个数量级。 硫化镉还对热醋穆尔氏菌有保护作用，如果把硫化镉移除，让热醋穆尔氏菌独自在施加光照的条件下生长，一天之后基本就全部死掉了，培养基中添加硫化镉情况则会有所好转。
未来，科学家的目标一方面是找出更加廉价的原料来替代半胱氨酸形成CdS，拓展可沉淀到细菌表面的半导体材料的种类，节约成本，另一方面则是需要借助合成生物学的手段对热醋穆尔氏菌进行改造，尽可能使得最终的产物乙酸升级成其它高值化合物的过程也能够发生在菌内。
酿酒酵母+磷化铟=为“劳模”充电
在现代的生物化工行业里，微生物是生产各种化学品的细胞工厂，酿酒酵母和大肠杆菌才是这个领域真正的超级巨星和生产力担当，为它们找到合适的半导体材料可能实际收益更大。
因此这第二个组合是酿酒酵母和另一种半导体材料磷化铟（InP）的故事，是由哈佛大学Neel S. Joshi教授团队撮合的。
生物体内的代谢网络是很复杂的，简单来看可以分成合成代谢和分解代谢，合成代谢是将相对比较简单的代谢物转化为细胞大分子的过程，这个过程需要能量（ATP）和还原力（NADH，NADPH，FADH2等），而分解代谢是将细胞内的含能营养物转化成几种基本化合物的过程，这个过程会为细胞提供能量和还原力。
合成代谢和分解代谢的能量关系 （图片来源：David L. Nelson et al., 2013）
让酿酒酵母产更多的莽草酸是撮合酿酒酵母和磷化铟最直接的原因。酿酒酵母可以产生燃料、药物、生物材料等化合物，它所产生的莽草酸是一些药物和精细化学品通用的前体化合物。莽草酸算是处于合成代谢途径中的一个化合物，它的合成需要还原力，而细胞体内还原力主要是由PPP途径（戊糖磷酸途径）供应的。
莽草酸途径和其它代谢途径的关系（图片来源：Lyndsay E. Saunders et al., 2015, Toxics）
PPP途径在细胞内主要起两个作用，除过提供合成代谢所需的还原力，另一个重要的功能是代谢途径中不同数目碳原子的化合物为体内各种生物分子的合成提供了前体，但是这个途径的一个特点是每运转一次产生还原力的同时会释放出一个CO2，这就造成了碳的损失，导致最终可以转化成莽草酸的碳源减少。
葡萄糖-6-磷酸 + 2NADP+ + H2O —> 核酮糖-5-磷酸 + 2NADPH + 2H+CO2
PPP途径总的反应式
考虑到半导体材料能将光能转化成电子，进而再被微生物转化成还原力，如果能以半导体加光能替代PPP途径为莽草酸的合成提供还原力，那么就不会浪费多余的碳源。磷化铟由于能够吸收大部分的太阳能谱，和氧共存时比较稳定以及良好的生物相容性被科学家选中。
酿酒酵母和磷化铟的组装过程 （图片来源：Junling Guo et al., 2018, Science）
具体的组装过程是先将磷化铟纳米颗粒和多酚组装起来，之后借助多酚与细胞壁的相互作用将磷化铟组装到酿酒酵母细胞表面。之后的测试结果表明，尽管表面组装的这层半导体材料使得酿酒酵母消耗葡萄糖的能力减弱了，但是莽草酸的产率却是有所提升的，这初步证明利用这种“半导体铠甲”的光电转化能力是有效提供还原力的手段。
除了莽草酸之外，这种半导体铠甲还能在其它什么样的场景下发挥作用呢？在酿酒酵母内有一些生物碱，合成它们可能需要超过10个依赖于NADPH并且结合在膜上的细胞色素P450氧化还原酶，增强原力的供应可能也是提高这些化合物的产率的一个可行的策略。
对于这种半导体铠甲，未来的目标一是开发适配大规模应用发酵罐的光源，二是尝试将这些半导体铠甲装备给其它劳模微生物，在不同的细胞工厂中去发光发热。
从“超级微生物”到“超级工厂”
以上提及到的两个故事在概念上具有很强的创新性，在实验室的条件下也有一定的可行性。虽然在实验室中利用细胞工厂生产各种化合物不难，但是，生物化工行业的要求是在成本可控的前提下实现过程放大，如果在成本和过程放大方面的问题解决不了，实际的意义也是有限的。
因此，这种将微生物和半导体材料所形成的杂合系统会对人类社会产生实在的影响吗？科学家们可能还有很长的路要走，这两个方面的问题也是接下来应该努力的方向。
作者单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
参考文献:
1. Sakimoto K K, Wong A B, Yang P. Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production[J]. Science, 2016, 351(6268): 74-77.
2. Guo J, Suástegui M, Sakimoto K K, et al. Light-driven fine chemical production in yeast biohybrids[J]. Science, 2018, 362(6416): 813-816.
3. Nelson, D. L. 1., Lehninger, A. L., & Cox, M. M. (2013). Lehninger principles of biochemistry (6th ed.). New York: W.H. Freeman
4. Fleming G , Ghirardi M , Gunner M R , et al. Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement[J]. Science, 2011, 332(6031):805-809.
5. Berg I A , Kockelkorn D , Ramos-Vera W H , et al. Autotrophic carbon fixation in archaea[J]. Nature Reviews Microbiology, 2010, 8(6):447-460.
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