中科大熊宇杰/高超团队前瞻性综述：高效光合成系统的生物灵感 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

模仿自然界光合作用过程，基于化学光催化剂进行CO₂转化的人工光合作用，描绘了实现人工碳循环的美好蓝图。然而，目前的人工化学光催化剂在将CO₂转化为多碳产物的活性和选择性方面并不比生物系统占优势。基于此，自然光合作用可以为人工化学光催化剂的开发提供丰富的生物灵感，以解决其瓶颈问题。

来自中国科学技术大学的熊宇杰教授、高超副教授团队近日在Cell Press细胞出版社旗下Chem Catalysis 期刊发表Perspective前瞻性综述论文，通过系统评述该新兴领域最近取得的成功，展示了从半人工光合成生物杂化体系到仿生光催化系统的发展，阐明了各种生物杂化和仿生系统设计的基本原理，并且提出了该研究领域未来发展面临的挑战和机遇。

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自然给予人工光合成的灵感

数十亿年的进化使自然生物体具有能够从太阳获取光能并将其转化为化学/生物能（称为光合作用）的能力。光合作用使绿色植物、藻类和某些细菌能够捕获光子，随后驱动多电子化学过程，将大气中的CO₂转化成多碳产物（主要是富含能量的碳水化合物）。为了满足对可持续能源日益增长的需求，并解决CO₂过度排放带来的环境问题，近几十年来，大量研究致力于模仿自然光合作用过程，开发基于化学光催化剂的CO₂转化人工光合成系统。光催化剂可以在温和环境条件下利用光生电子进行氧化还原反应将CO₂转化为高附加值的燃料和化学品，为实现人工碳循环提供了非常有前景的途径。化学光催化剂通常由半导体或金属配合物光敏剂作为光捕获器，因其具有易于调控的优点，在转换和存储太阳能方面可以超越自然光合作用。然而，尽管化学光催化CO₂转化已经取得蓬勃发展，目前人工化学光催化剂在CO₂转化方面仍难以达到生物系统的水平。化学光催化CO₂还原的产物主要局限于C₁产品（如 CO、HCOOH 和 CH₄），而对高选择性地获得更高价值的多碳液体燃料和化学品仍是巨大的挑战。与此形成鲜明对比的是，天然生物体利用酶可以特异性地高效催化CO₂转化生成多碳产物。基于此，自然光合作用可以为人工化学光催化剂的开发提供生物启示，以解决其瓶颈问题（图 1）。通过结合化学光催化剂和生物系统的优势，有望最终实现“源于自然，超越自然”的目标。

图1.受自然界绿色植物和微生物光合作用启发的人工光合成系统示意图

半人工光合成生物杂化体系

将生物酶甚至整个细胞与人造材料结合协同作用，创新了可持续的太阳能到燃料和太阳能到化学品的生产方式，通常被称为半人工光合作用。这种生物杂化体系结合了自然光合作用和人工光合作用的优点，同时避免了它们各自的局限性。本节将分别评述全细胞微生物–半导体生物杂化体和酶–半导体生物杂化体在半人工光合作用方面的典型成功案例。

全细胞微生物–半导体生物杂化体系

自然界微生物可以利用多种酶进行生物级联催化反应，通过多种代谢途径将最简单的小分子（如CO₂、N₂和H₂O）选择性地转化为复杂的大分子。有些生物，如蓝藻，甚至可以通过光合作用将CO₂转化为碳氢化合物。相比之下，一些非光合细菌虽然可以固定CO₂产生含碳有机物，但它们没有捕获和利用太阳光的能力。基于此，将具有催化活性的微生物与人工合成的吸光半导体材料相结合是实现其在太阳能捕获、催化反应活性和选择性方面优势互补的有效途径，有望突破传统化学光催化剂体系的瓶颈（图 2）。在这种全细胞微生物–半导体生物杂化系统中，合成的半导体材料通常作为固定微生物的载体并捕获太阳能为微生物提供还原当量（光生电子）。半人工光合成生物杂化系统为开发规模化使用CO₂和太阳光生产高价值燃料和化学品的微生物工厂提供了前所未有的机会。

图 2. 用于CO₂转化的全细胞微生物–半导体光合生物杂化体系示意图

生物酶–半导体生物杂化体系

全细胞微生物–半导体生物杂化体系的成功启发了研究人员进一步开发酶–半导体生物杂化体，因为微生物对反应的活性在很大程度上取决于细胞内相关特定的酶。因此，理解这些生物酶背后的反应机制可以有益于化学合成系统和生物杂化体系的理性设计。由于其特殊的结构，酶可以高效、选择性地催化传统化学催化剂难以实现的反应。与基于全细胞微生物的生物杂化体相比，基于酶的生物杂化体在系统稳定性方面往往面临更严峻的挑战。基于此，介孔金属-有机框架（MOFs）材料为装载酶提供了理想的载体，其可调的微环境有助于保护酶的反应活性。此外，光敏分子还可以组装到MOFs有序的孔道结构中，从而促进光生电荷向酶的高效转移。

仿生光合成系统

基于对半人工光合成生物杂化体系的深入理解，科研人员进一步尝试向酶、叶绿体和微生物学习，以开发具有相当甚至超越自然生物体活性的仿生光合成系统。开发仿生光合成系统有两种设计策略：模拟酶的结构和模拟整个叶绿体/细胞的功能。本节将分别通过模仿生物酶的活性位点和构建人工光合成细胞工厂来评述仿生光合成系统的巨大潜力。

模仿生物酶的活性位点

基于从生物酶中提取的构效关系，研究人员致力于通过化学合成方法模拟酶的活性位点，这为构建真正的人工光合成系统提供了一种有效的策略。生物酶的高活性和选择性归因于其活性位点通常是具有特定蛋白结构的配位金属位点。该结构具有空间上控制底物分子和反应中间体的限域效应，以及活化底物分子和稳定反应中间体的静电效应。因此，分子金属配合物催化剂成为天然酶的潜在替代品，因为配体化学为将酶的特性引入合成化学催化剂提供了极大的可能。在构建人工酶的活性位点时，限域效应和静电效应的协同作用是决定仿酶催化剂获得高活性和高选择性的重要因素。作为一类由无机金属节点和有机桥连配体组成的多孔分子材料，MOFs为设计仿酶催化剂提供了独特的机会。除了构建单个仿酶活性位点，可以通过MOFs的多级结构装载不同活性位点，以构建可以进行串联催化反应的仿酶级联催化系统。总之，通过掌握催化过程中生物酶的动态变化和结构特征，化学合成方法的确可以防造酶的活性位点得到具有类似催化功能的人工酶。然而，完全复制决定生物酶活性和选择性的复杂立体化学结构将是一项巨大的工程。为此，将高通量机器人合成与机器学习相结合，可以加速人工酶的开发和优化。

构建人工光合成细胞工厂

在自然界中，植物中的叶绿体和光合微生物（如蓝藻）能够以H₂O作为电子供体、CO₂作为碳源和光作为能量输入，可持续地生成有价值的化合物。因此，模仿自然的最终目标是利用合成生物学和化学来构建可以复制叶绿体和蓝藻结构和功能的人工光合成细胞工厂。通过基因工程和酶工程技术，可以理性设计和调控每个基因、酶和生物途径，这为开发高效的人工光合成细胞工厂以实现未来利用太阳能大规模生产燃料和化学品提供了非常有前景的策略。

总结和展望

生物学和光催化的结合展示了仿生在人工光合成中的巨大成功和潜力。通过将生物设计与材料合成的优势相结合，生物杂化体系和仿生系统可以克服自然和人工光合作用的局限性，为向自然学习进而超越自然提供了巨大的机遇。开发先进的半人工光合生物杂化体系和仿生光催化系统以进一步推动实际应用的发展仍然面临亟待解决的巨大挑战。为了应对所有挑战，未来的努力需要来自生物学、有机和无机合成化学、材料科学、催化、光谱和理论计算等各个研究领域专家的共同协作。

首先，深入理解和精确操纵生物–非生物界面是一个关键挑战。合成材料与生物组分之间的界面需要合理优化，以确保有效的电荷转移和良好的生物相容性。目前，仍然缺乏对从细胞外半导体到细胞内受体的电子转移机制的深入理解，这阻碍了对微生物细胞外电子转移能力的优化。因此，应开发先进的原位和时间分辨光谱来探测和阐明动态界面电荷转移的本质。基于全面的理解，可以通过改造表面结构以改善其与生物组分的相互作用。同时，可以对微生物/酶进行基因改造以提高电子转移能力。此外，还应探索表面修饰、细胞保护生物技术和基金工程等策略，以提高微生物/酶对化学元素和实际反应环境的耐受性，及改善合成材料的生物相容性。

除了界面问题，另一个关键挑战是使用合成生物学和化学来模仿酶和整个叶绿体/细胞，以完美复制其实现高效和选择性CO₂转化的功能，达到或超越自然水平。目前，通过合成化学模仿生物酶的活性位点已显示出前景，但尚未实现C-C偶联生成长链（C₃₊）碳氢化合物。为了应对这一挑战，应将更多与生成燃料/化学品相关的酶和微生物纳入研究中，以筛选出高效的半人工光合成生物杂化体系。同时，需要原位表征技术和酶工程来揭示生物酶中的关键活性基元，利用得到的构效关系进一步指导仿生光合成系统的设计。对于多碳产物，组装多种生物活性组分和合成材料，通过其协同作用以模仿酶级联反应是实现生成长链 (C₃₊) 烃一条有前景的策略。流动化学和微通道反应器的出现为高效仿生光合成系统的集成提供了机遇（图 3）。将涉及各个反应步骤的反应器串联起来，可以构建出将CO₂转化为多碳产物的人工光合成细胞工厂。此外，为了避免以低效的试错实验来优化人工光合成系统，通过机器学习和机器人合成可以大大加速优化过程。

图 3. 构建人工光合成细胞工厂示意图(A) 提取或合成外源基因。(B) 工程化细菌。(C) 表达目标酶。(D) 筛选出成功表达关键酶的细菌。(E) 将工程细菌富集到微通道反应器中。(F) 集成微通道反应器以实现将CO₂转化为多碳产品的级联反应。

最后，生物杂化和仿生系统面临着缺乏经济可行性和适用性的挑战。一方面，这些系统通常需要消耗不经济的牺牲剂。另一方面，大多数采用的微生物是异养型，需要不经济的有机营养物，例如葡萄糖或苹果酸等，以维持CO₂转化。为促进其实际应用，应致力于开发可回收、低成本和生物相容性的牺牲剂，或与具有经济效益且生物相容性的氧化反应耦合。此外，应通过基因工程筛选或创造用于CO₂转化的高效自养型微生物。通过各相关研究领域的共同努力，基于大自然的灵感将在实现人工光合作用方面取得前所未有的成功。

作者介绍

熊宇杰，中国科学技术大学教授、博士生导师。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获化学物理学士学位，2004年获无机化学博士学位，师从谢毅院士。在美国学习工作七年后，2011年辞去美国华盛顿大学圣路易斯分校的国家纳米技术基础设施组织首席研究员职位，回到中国科学技术大学任教授。回国工作以来，组织了中国科学院创新交叉团队（结题优秀），基于“精准合成-原位谱学-理论模拟”三位一体研究范式，发展复合与杂化材料体系，探索界面耦合激发态下的分子转化机制，推动其在太阳能驱动人工碳循环方面的应用。迄今为止，在Science等国际刊物上发表200余篇论文，总引用25,000余次（H指数78），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单和爱思唯尔中国高被引学者榜单。2017年获国家杰出青年科学基金资助，入选英国皇家化学会会士。2018年获聘长江学者特聘教授，入选国家万人计划科技创新领军人才。2012年获国家自然科学二等奖（第三完成人），2014-2016和2018年四次获中国科学院优秀导师奖，2015年获中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖，2019年获英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖。

高超，中国科学技术大学副教授、博士生导师。目前主要从事无机纳米材料可控合成设计及负载组装在太阳能化学转化方面的应用研究，通过结合无机固体化学与配位化学，致力于精准设计和调控催化位点，优化电荷动力学行为和发展时间分辨原位表征技术，在光/光电催化CO₂/N₂还原、CH₄氧化应用方面进行深入探索。已在国际高水平学术刊物上发表40余篇论文，总引用4600余次（H指数29），以第一作者和共同通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等国际期刊上发表论文20余篇。2021年度入选“中国科学院青年创新促进会”会员，主持国家自然科学基金重大研究计划培育项目等科研项目，参与2项国家重点研发计划。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Chem Catalysis上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Bioinspiration toward efficient photosynthetic systems: From biohybrids to biomimetics

▌论文网址：

https://www.cell.com/chem-catalysis/fulltext/S2667-1093(21)00232-3

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.05.012

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