复旦乔亮课题组阐释人造光合成系统运行机制丨CellPress对话科学家
11月28日，Cell Press细胞出版社旗下化学期刊Chem在线发表了题为“Proteomic and Metabolic Elucidation of Solar Powered Biomanufacturing by Bio-Abiotic Hybrid System”的研究论文。在本文中，复旦大学乔亮研究员团队利用多组学定量技术结合生物信息学分析从光生电子的跨膜转移、二氧化碳的还原固定以及能量存储三个角度对人造光合成系统的运行机制进行了系统研究。
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近年来，为解决化石能源日益消耗和环境污染危机，世界范围内都加速了对可持续清洁能源的探索及开发，尤以太阳能利用技术最为引人注目。加州大学伯克利分校杨培东课题组于2016年制备得到了基于厌氧电活性细菌热醋穆尔氏菌-硫化镉量子点的复合光合成系统，可以高效的将二氧化碳还原为乙酸，能量转换效率超过了自然界中的光合作用。然而目前仍然缺少对这一类电活性细菌-半导体人造光合成系统的理论研究，阻碍了新型光合成系统的设计开发。
复旦大学乔亮课题组与上海易算生物科技有限公司、葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室合作，利用多组学定量技术结合生物信息学分析从光生电子的跨膜转移、二氧化碳的还原固定以及能量存储三个角度对人造光合成系统的运行机制进行了系统研究。研究人员设计了光照条件下的正常实验组（Bio-CdS）、无半导体材料的阴性对照组（Bio）及黑暗条件下非饥饿状态（顶空灌入氢气）的阳性对照组（Dark）。光照后，Bio-CdS和Bio组代谢状态产生了显著的差异。通过直系同源蛋白质簇（COG）功能注释及通路分析，研究者发现至少具有20种功能的100多种蛋白参与了细菌光合成过程或者被光照条件下量子点激活的代谢状态所影响。通过PRM靶向蛋白质组分析，研究人员发现Bio-CdS组和Dark组中的能量生成及转化蛋白不存在显著差异，进一步证实了太阳光作用于半导体材料后可以为电活性细菌的生长提供能量。
研究者发现柠檬酸合成酶及还原型辅酶Ⅰ(NADH)脱氢酶在Bio-CdS实验组中显著高表达，从而将三羧酸循环与固定二氧化碳的Wood-Ljungdahl pathway（WLP）通路连接起来。综合定量蛋白质组及代谢组的结果，研究人员解释了该人造光合成系统的运行机制：光电子在铁氧还蛋白(Ferredoxin, Fd)、黄素蛋白(Flavoprotein, Fp)等酶的作用下传递到细菌细胞膜上，经WLP通路的甲基分支及羰基分支将二氧化碳还原为乙酰辅酶A，并在磷酸转移酶和乙酸激酶的作用下最终合成光合成产物乙酸。此外，乙酰辅酶A还可以部分转化为柠檬酸，经三羧酸循环合成大量的NADH，为细菌还原二氧化碳提供部分还原当量，并在NADH脱氢酶作用下产生额外的质子（大部分质子来源于光合成产物乙酸），驱动三磷酸腺苷（ATP）合成。
研究人员随后采用STRING (Search Tool for the Retrieval of Interacting Genes/Proteins)数据库分析了与WLP通路直接相关的蛋白，发现糖酵解和三羧酸循环通路中的大部分蛋白在实验组中显著高表达。最后，研究人员综合MRM靶向代谢组分析结果及定量蛋白质组结果，给出了光合成过程中细菌为自身供能的机制。其中丙酮酸-铁氧化还原蛋白氧化还原酶(PFOR)扮演了重要的角色，其在实验组中的高表达将糖酵解与二氧化碳还原通路结合起来。而柠檬酸合成酶则进一步将WLP通路、糖酵解与三羧酸循环连接起来，在质子泵NADH脱氢酶的作用下，产生膜外质子浓度梯度，驱动ATP合成酶源源不断合成ATP为光合成系统的连续运行提供能量支撑。
本研究为后续微生物-无机复合物光电合成系统的发展提供了一系列分子生物学基础。后续研究有望通过质粒转染高表达电子转移酶、氢化酶、抗氧化酶及WLP通路和三羧酸循环过程中的关键酶实现更加高效、持久、特异性的人工光合成系统。
Cell Press细胞出版社特别邀请论文的作者乔亮研究员进行了专访，请他们为大家进一步详细解读。
作者专访
Cell Press：这项工作对未来新型光合成系统的设计开发将会产生哪些影响？
乔亮研究员：任何仿生系统的开发都需要在充分了解其运行机制也就是其中最本质的科学原理的前提下展开。当前光合成系统的开发大都由材料学家通过不断寻找、制备生物兼容性好、光电转换效率高的半导体材料来实现。
据我们所知，不借助于光电池等外电路传导电子的真正意义上的微生物-无机材料复合光合成系统大概只有五六种。我们思考的角度是改造细菌，得到最适宜组装人造光合成系统的菌株。为此，我们需要理解基于微生物的光合成系统的运行原理，找出其中的关键蛋白，未来可以借助各种生物工程技术去定向高表达光合成通路中涉及的蛋白，这需要更多的生物学家尽可能的参与到这个研究领域中。
从化学工作者的角度来看，我们也可以通过人工光合成过程去定向诱导细菌的突变，寻找光合成通量更高的突变菌株。我们的研究发现半导体材料激发后产生的空穴造成的氧化损伤非常严重，导致目前的光合成系统大都无法连续运行超过一周。而一旦我们能够得到光合成通量更高的突变株，就可以采用光电子激发效率较低但氧化损伤也更低的高生物兼容性材料来降低针对细菌的氧化损伤。
此外，为了保证光合成系统的连续运行，我们也要考虑如何为细菌的生命活动供能，我们发现存在于真核细胞中的糖酵解、三羧酸循环通路中的若干种酶也普遍存在于热醋穆尔氏菌中，通过高表达其中的几种关键酶，如柠檬酸合成酶、还原型辅酶Ⅰ脱氢酶，有可能提高该细菌的生存能力。从长远的角度来看，甚至有可能构建多重酶修饰的复合材料器件，实现类似于微生物-无机材料复合物的人工光合作用。
Cell Press：整个研究过程是否顺利？其间是否遇到哪些困难？是如何攻克的？
乔亮研究员：研究过程还算顺利，在实验最开始的阶段我们遇到了一点困难。我们课题组主要从事微生物多组学和质谱分析化学研究，之前并没有光合成和厌氧微生物培养的经验。一次偶然的机会，我们通过跟葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的刘利峰研究员讨论，了解到微生物-材料复合物在环境和能源中的作用，并决定在该领域做一些基础研究尝试。
一开始我们很难重现出Sakimoto等报道的光合成系统（热醋莫尔氏菌-硫化镉量子点, Science 351, 74-77）。后来通过查阅资料，发现是培养基中的一些成分（无机磷酸盐、厌氧指示剂刃天青等）与Cd2+发生了沉淀或络合反应，因而无法在细菌表面原位生成CdS，之后我们更换了培养基就顺利的将Sakimoto等报道的光合成系统重现出来了。后面蛋白质组学及代谢组学的实验是我们的强项，并没有遇到特别棘手的问题。这其中张茹潭博士极强的实验能力和沈诚频博士丰富的组学和生物信息学经验都起到了非常重要的作用。
Cell Press：人工光合成系统将可以在哪些领域得到应用，能否详细举例说明？
乔亮研究员：人工光合成系统提供了一种新的太阳能利用的方式，可以将太阳光提供的能量源源不断的存储为化学能，实现可再生、无污染的能源获取和利用模式。未来通过基因工程改造菌株，甚至可以得到更复杂更精细的化学品、药品、食品原料等等，研究已经证明了这在理论上是完全可行的（Nano Lett. 2015, 15, 5, 3634-3639），我们也使用一些细菌制备了生物塑料。也许在不远的未来将可以建造许多微生物工厂，将空气中的温室气体源源不断转化为初级化学品，经过提纯后去生产药品、食品等等。地球上存在的微生物种类和功能远远超过我们的想象，正是数不尽的古生菌和植物将地球的大气环境改造为人类适宜的环境，我们应该充分挖掘和利用微生物，也许这将铸就又一次革命性科技变化。该领域非常值得关注，其应用前景将非常广阔。
Cell Press：您的团队后续研究方向是什么？
乔亮研究员：我们对微生物的功能很感兴趣，这包括单一微生物也包括多种微生物构成的微生态。我们主要采用基于质谱的组学技术。组学使得我们可以更高通量、更灵敏和更准确的方式去研究微生物的功能。长远来讲，我们将致力于开发针对微生物和微生物组研究的质谱分析方法和生物信息学算法，并尝试针对微生物的生物工程改造以验证通过组学技术发现的功能。在本工作的研究主线上，近期我们将寻求通过生物工程技术对能够呼吸二氧化碳的细菌进行改造，高表达一系列重要蛋白分子，如细胞膜上的电子转移蛋白、氧化应激抵抗蛋白、氢化酶等，以试图提高微生物的光合成通量和生存能力。我们还计划利用高分辨成像技术对细菌-材料的直接相互作用进一步研究，探索电子在材料和细胞膜之间传输的过程。我们也希望通过与复旦大学以及国际上的多个课题组保持合作来寻找生物兼容性更好的光电转换材料。
论文通讯作者介绍
关于 乔亮 研究员
乔亮，复旦大学化学系研究员、博导。青年千人。复旦大学学士、硕士，瑞士洛桑联邦理工大学博士，瑞士洛桑联邦理工大学博士后、葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室访问学者、瑞士洛桑联邦理工学院联席博士生导师（co-supervisor）。长期从事质谱分析研究，致力于发展质谱分析的新技术、新方法以及质谱数据解析的新算法。近年来主要从事基于质谱技术的微生物种类和功能分析、微生物代谢组和代谢通路研究，发表SCI论文86篇。担任全国实验医学青年专家委员会委员、中国蛋白质组学会委员、《分析测试学报》青年编委、《高等化学学报》分析化学学科青年执行编委等。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
论文标题：
Proteomic and Metabolic Elucidation of Solar Powered Biomanufacturing by Bio-Abiotic Hybrid System
论文网址：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30479-6
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.11.002
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