材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化

王雪云，楊文君，鐘超，高翔

（1 中國科學院深圳先進技術研究院，深圳合成生物學創(chuàng)新研究院，中國科學院定量工程生物學重點實驗室，廣東 深圳518055；2 中國科學院深圳先進技術研究院，深圳合成生物學創(chuàng)新研究院，材料合成生物學中心，廣東 深圳 518055）

1 光合作用

建立在化石原料煉制基礎上的傳統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展模式正面臨資源與環(huán)境的兩大難題，開發(fā)CO2資源化利用的技術，使用清潔能源，推進化石燃料能源系統(tǒng)向綠色能源為主導的能源系統(tǒng)的轉型已在全球范圍內(nèi)達成共識［1-2］。太陽能作為最豐富的可再生能源，如何將太陽的能量轉化為穩(wěn)定可用的能量形態(tài)，以便于儲存、運輸并配送至終端使用者，是研究人員一直追求的目標［3］。光伏發(fā)電是目前太陽能轉化最成功的技術，但其缺點是不能連續(xù)工作以及需要長距離電力傳輸［4］。天然光合作用直接利用光能將水和CO2轉化為有機物，人工光合作用通過模擬天然光合作用，人工合成光吸收劑和催化劑，吸收光能并轉化為化學能，可以避免上述光伏發(fā)電的缺點［2，5］。以半導體材料為基礎的人工光合系統(tǒng)能高效捕獲光能并產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的電子，應用于水裂解產(chǎn)氫、CO2還原和氮氣固定等［5-7］。人工光合系統(tǒng)易于設計且具有更高光能捕獲效率，可以克服天然光合系統(tǒng)低光電轉換效率、僅吸收可見光等缺陷，但天然光合系統(tǒng)具有更高的催化特異性以及更溫和的反應條件［8］。因此，近年來研究人員結合人工合成光吸收劑和天然生物催化系統(tǒng)（酶或全細胞催化劑），構建材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化應用于光能到化學能的高效、高特異性的轉化，這種新技術也被命名為“半人工光合作用”［3，8］。將電極或納米材料等“人工組分”與“生物組分”創(chuàng)造性結合，構建材料-生物雜化體，可整合自然光合系統(tǒng)和人工光合系統(tǒng)的優(yōu)勢［9］。材料-生物雜化體通過材料與酶進行復合，實現(xiàn)光驅(qū)動的、產(chǎn)物選擇性高的簡單催化反應；與微生物進行復合，結合近年來快速發(fā)展的合成生物學技術改造微生物底盤細胞，實現(xiàn)光能驅(qū)動合成代謝途徑，特異性生產(chǎn)多種高附加值的化合物。因此基于材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化，可潛在提高太陽能到化學能的轉化效率和產(chǎn)物的選擇性，是單一生物組分或人工組分無法完成的。目前，該領域的研究尚處于起步階段，主要集中于開發(fā)新的雜化體，研究光能到化學能的轉化過程和機制。Erwin Reisner、Yang Peidong和Paul W.King等在材料-生物雜化體系或半人工光合作用領域已發(fā)表多篇相關綜述［3，8-12］，鄒志剛院士團隊［13］在2019年發(fā)表一篇極具代表性的中文綜述。本文主要從材料-生物雜化體的構建方式及其在光驅(qū)生物催化方向的應用進行總結，探討當前該領域發(fā)展的挑戰(zhàn)和機遇，為國內(nèi)的研究人員提供參考。

1.1 天然光合作用

天然光合作用是指植物、藍細菌和微藻等光合自養(yǎng)生物通過利用光能、水和CO2來合成生物質(zhì)，同時釋放氧氣。光合作用主要分為光反應和暗反應兩個階段。光反應中心在類囊體膜上，主要包括光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）和光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）、細胞色素b6f（cyt b6f）、質(zhì)體醌池（PQ）、質(zhì)體藍素（PC）、鐵氧還蛋白（Fd）、鐵氧還蛋白-NADP+還原酶（FNR）和三磷酸腺苷合酶（ATPase）［圖1（a）］。PSⅡ和PSⅠ中的反應中心色素分別稱為P680 和P700，兩個光系統(tǒng)通過“Z圖式”串聯(lián)系統(tǒng)協(xié)同工作，由PSⅡ的天線復合體捕獲光子以激發(fā)電子，驅(qū)動光解水并產(chǎn)生氧氣；激發(fā)電子經(jīng)過PQ、Cyt b6f、PC 傳遞給光PSI，傳送過來的電子被二次激發(fā)，并最終被輸送到FNR，并將氧化型的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）還原為NADPH。同時，水的氧化和電子傳遞的過程將質(zhì)子從類囊體外轉移至膜內(nèi)，建立類囊體膜內(nèi)外質(zhì)子梯度，并以此驅(qū)動ATPase 合成ATP。該過程電荷分離的量子效率幾乎可達100%［14］。暗反應是指自養(yǎng)生物通過卡爾文循環(huán)（Calvin-Benson-Bassham cycle，CBB 循環(huán)）利用光反應合成的NADPH 和ATP，固定CO2合成有機物［圖1（a）］。然而天然光系統(tǒng)極高的電荷分離量子效率，并沒有建立高效的光能到生物質(zhì)的轉換。因為自然光合作用是由多個酶共同參與的多種代謝途徑的綜合表現(xiàn)，而自養(yǎng)生物優(yōu)先進行生長而不是進行高能代謝物的合成。

圖1 天然光合作用和人工光合作用（a）天然光合作用的電子和能量傳遞示意圖，天然光合作用分為光反應（下）和暗反應（上）：光反應通過吸收光能并將能量儲存在NADPH 和ATP 中；暗反應的CBB 循環(huán)利用NADPH 和ATP 驅(qū)動CO2固定，合成生物質(zhì)和多碳化合物［3，10，15-16］人工光合作用系統(tǒng)包含半導體材料體系和電極體系。（b）利用半導體材料分解水時，材料吸收光能產(chǎn)生電荷分離，e?從價帶（V.B.）躍遷到導帶（C.B.），在V.B.上留下空穴（h+），水為還原劑消耗h+并釋放O2，導帶上e?將H+還原成H2［6］。（c）光陽極材料氧化水生成O2并提供e?，并傳遞到光陰極端，還原H+成H2［3］Fig.1 Diagram for natural photosynthesis and artificial photosynthesis(a) Schematic diagram of natural photosynthesis with light reaction (lower) and dark reaction (upper).Photoreaction uses light energy to generate NADPH and ATP,and in the dark reaction,NADPH and ATP are used to drive CO2 fixation through the CBB cycle.(b)The artificial photosynthesis composed of a semiconductor material system and an electrode system [3,10-12].The semiconductor material absorbs light and generates electron (e?),e?transitions from the valence band (V.B.)to the conduction band(C.B.)to reduces H+to H2[6].The holes(h+)left on V.B.are consumed using water as reducing agent and O2 is released.(c)The photoanode material oxidizes water to generate O2 and provide e?, and the electron is transferred to the photocathode for reducing H+to H2[3]

1.2 提高天然光合作用效率的策略

天然光合作用效率低主要有幾個原因：①光系統(tǒng)只能吸收可見光（λ=400～700 nm），且對綠光（λ=500～600 nm）的吸收弱；②光保護機制等降低對光能捕獲效率；③光能傳遞和利用效率低；④CBB 循環(huán)固碳效率低。因此，天然光合作用中光能到化學能轉換效率通常低于1%，在最優(yōu)的條件下可達7%［17-18］。針對上述光合效率低的主要因素，研究人員通過最近快速發(fā)展的合成生物學策略和技術優(yōu)化天然光合系統(tǒng)，提高光能到化學能的轉換效率。

首先，對光反應的光能捕集和轉化進行優(yōu)化，提高光能的利用效率。拓寬光合生物吸收光譜可以為固碳途徑提供更強的驅(qū)動力。悉尼大學Chen Min團隊和賓夕法尼亞州立大學Roberta Croce團隊先后發(fā)現(xiàn)可以吸收紅外光的新型葉綠素d 和f，它們可以吸收700～750 nm 的紅外光［19-20］，并且證實通過在聚球藻7002中表達葉綠素f使其吸收原來不能利用的紅外光［21］。在自然光照條件下，植物冠層或高光照的光生物反應器中，表層細胞過多捕獲光子致使表層細胞開啟光保護機制，同時阻礙光向下層穿透，導致上層能量浪費，而下層卻缺少光子，不利于光能的有效利用［22］。研究人員針對性地遺傳改造光合生物，加速關閉植物光保護過程［23］和光系統(tǒng)的修復機制［24］，從而提高植物光合作用效率；或者，表達截短的捕光天線復合體或下調(diào)捕光天線復合體表達提高綠藻光合作用效率［25］。在光合作用中，光反應生產(chǎn)ATP和NADPH的比率是1.28∶1，而CBB 循環(huán)中ATP 和NADPH利用的比率是1.5∶1，因此光合作用中光反應和暗反應之間的能量和還原力消耗不平衡［26］。光合電子傳遞鏈循環(huán)電子流可以提供更多的ATP，神戶大學Tomohisa Hasunuma 團隊［27］在集胞藻PCC6803中過表達NADPH 氧化還原酶，強化循環(huán)電子流，增加胞內(nèi)ATP 供應，最終提高工程菌的生長速率和生物量；另外，通過向藍細菌表達視紫紅質(zhì)蛋白，可以在工程菌中形成額外的跨膜梯度，從而提高ATP 的供應［28］，但由于該蛋白表達對工程菌造成嚴重的代謝負擔，工程菌生長速率并未提高，需要后續(xù)進一步優(yōu)化。

其次，對固碳途徑進行優(yōu)化，提高CO2固定的效率。CBB 循環(huán)中固碳酶核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，RuBisCO）［29］，其可以分別與CO2和O2發(fā)生羧化和加氧反應。但在自然環(huán)境中，CO2濃度僅為0.04%，遠低于O2的濃度（21%），藍細菌進化出一套CO2的濃縮機制，進入細胞的碳酸鹽可以選擇性進入羧化體，RuBisCO 在羧化體發(fā)生固碳反應。Kamennaya 等［30］通過強化碳酸鹽轉運蛋白的表達，使工程菌在空氣環(huán)境中生長速率提高1倍。優(yōu)化CBB循環(huán)中關鍵酶表達量和活性，是提高固碳效率的重要策略，研究人員通過優(yōu)化RuBisCO、景天庚酮糖-1，7-二磷酸酶（SBPase）、果糖二磷酸酶（FBPase）、果糖二磷酸醛縮酶（FBA）和轉酮酶（TKT）等［31-36］，將光合生物的生物量提高約20%～45%［29］。此外，引入新的固碳酶或固碳途徑也將提高光合固碳效率。江南大學劉立明團隊和微生物所李寅團隊［37］，通過將磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）與蘋果酸脫氫酶（MDH）在聚球藻7942 中共表達，工程菌ATP 的供應顯著增加，CO2固定速率提高110%。近年來，隨著合成生物學的發(fā)展，研究人員設計和組裝了人工固定CO2的途徑［38］。馬普陸地微生物所Tobias J.Erb 研究團隊在2016 年利用體外多酶體系設計和驗證一個新的CO2固定途徑，由17 個酶組成的巴豆酰CoA/乙基丙二酰CoA/羥基丁酰CoA（crotonylCoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA，CETCH）循環(huán)，固碳效率經(jīng)過優(yōu)化可達5 nmol/（min·mg蛋白），該途徑的固碳效率超過天然固碳途徑的5 倍［39］，2020 年該團隊利用合成生物學與微流控技術結合，通過類囊體膜和CETCH 途徑的酶包裹在微液滴中，制備了人工葉綠體，能直接利用光能固定CO2合成乙醛酸，但該人工葉綠體僅在2 h內(nèi)有活性［40］。

上述通過生物法提高光合作用效率的策略，其受限于天然光合系統(tǒng)的固有特性，很難進一步提升，特別是提高光能捕獲的效率，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，PSⅠ和PSⅡ最大吸收波段重合，存在競爭關系；第二，新型葉綠素d 和f 吸收的最大波長為750 nm，僅能利用極少量的紅外光［19］；第三，生物法需要對光合生物進行遺傳改造，遺傳改造周期長且需要對不同的光合生物分別進行改造，考慮到相當部分的光合生物缺少遺傳操作方法，僅通過生物來提高依然有很大的局限性［41］。

1.3 人工光合作用

人工光合作用的設想由Ciamician 在1912 年提出［42］，其通過模擬天然光合作用，利用半導體材料作為光催化劑捕獲光能，發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生電子和空穴對來驅(qū)動光還原反應：還原CO2，合成H2和固氮反應［圖1（b）、（c）］［43］。近年來，研究人員通過半導體摻雜和引入異質(zhì)結等方法，提高電荷分離和電子傳輸效率。相比于天然光合作用，人工光合作用具有如下顯著特點：①半導體材料捕獲光能的效率高，光電轉換效率已經(jīng)超過20%；②構筑過程簡單可控，易于通過模塊化方式進行優(yōu)化；③依賴于高純度半導體材料，而這些半導體材料在溶液中容易被分解和腐蝕，且無法自主修復，其規(guī)?；褂妹媾R巨大挑戰(zhàn)；④CO2還原反應的選擇性差，產(chǎn)物多為混合物，且多為低值一碳產(chǎn)物（甲烷、甲酸等）。因此，人工光合系統(tǒng)在特異性合成高能量密度、高附加值的多碳化合物方面先天不足［6］。

2 基于生物光吸收劑的雜化體

上文提到，PSⅠ和PSⅡ可以捕獲光能，發(fā)生電荷分離，并傳遞電子。通過分離純化獲取的離體PSⅠ和PSⅡ，或直接利用藍細菌細胞與材料或者電極復合，構建的雜化體實現(xiàn)光能到化學能的轉換和儲存（圖2）。

PSⅠ含有大量的葉綠素和類胡蘿卜素作為天線分子高效捕獲光能，激發(fā)電子（量子效率接近100%），通過電子傳遞鏈將能量儲存在NAD（P）H和Fd 中，驅(qū)動胞內(nèi)代謝途徑生產(chǎn)多種復雜產(chǎn)物［49］。因此，PSⅠ能驅(qū)動光能向化學能轉化，是一個理想的構建雜化體的生物光吸收劑。目前，基于PSⅠ雜化體的研究主要集中在光催化產(chǎn)氫。為提高光系統(tǒng)產(chǎn)生的電子傳遞到材料的效率，Grimme等［44］在金或鉑納米顆粒（Au NPs、Pt NPs）表面修飾1，6-己二硫醇，將PSⅠ與Au NPs 或Pt NPs 共價交聯(lián)構建雜化體［圖2（a）］。PSⅠ激發(fā)的電子通過短鏈的硫醇傳遞到納米顆粒，催化H+還原產(chǎn)生H2。在該雜化體中添加有效電子供體細胞色素c6（PSⅠ的天然電子供體），可進一步將H2合成速率提高5 倍，證明硫醇作為“分子導線”連接，有效提高電子從PSⅠ傳遞到納米催化劑的效率。光激發(fā)的電子在生物組分和材料組分之間的界面?zhèn)鬏斠恢笔请s化體研究的重點和難點，在天然光系統(tǒng)中，F(xiàn)d 和黃素氧還蛋白結合在PSⅠ的基質(zhì)“口袋”中，Utschig 等［50］通過模擬蛋白相互作用，將巰基琥珀酸修飾的鉑納米顆粒通過靜電自組裝的方式結合在PSⅠ的口袋中，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)H2合成速率與通過分子導線連接相同。研究人員進一步通過電子順磁共振光譜分析，表明Pt NPs 模擬黃素氧還原蛋白的結合，使得電子通過PSⅠ的流量增強，該系統(tǒng)是第1個通過光譜分析電子轉移的雜化體系。由于電極具有更好的還原電位的可調(diào)性和更易進行表面修飾，近年來，逐漸構建PSⅠ與電極的雜化體，實現(xiàn)在光照的條件下產(chǎn)生光電流和H2［51-52］。但PSⅠ構建的雜化體，均需要額外的電子供體。PSⅡ是自然界中唯一能夠催化水氧化的酶，所以基于PSⅡ構建的雜化體可以直接利用水作為電子供體［圖2（b）～（d）］，該功能也使PSⅡ成為研究水氧化反應的理想模型。但由于PSⅡ反應中心為一個超大的多蛋白復合體，只有在膜上表達才有活性，因此構建具有功能的PSⅡ雜化體需要將納米材料整合在膜上，極具挑戰(zhàn)［53］。Wang 等［45］分離包含PSⅡ的膜結構后與納米材料Ru/SrTiO3：Rh復合，通過醌-鐵氰化物作為人工電子傳遞鏈，將PSⅡ在可見光下分解水產(chǎn)生的電子傳遞到Ru/SrTiO3：Rh上產(chǎn)生H2［圖2（b）］。Utschig 等［54］通過模擬自然光合作用光反應的Z型機制，將Pt納米材料通過靜電自組裝結合到PSⅠ位于基質(zhì)側的末端，PSⅡ在可見光驅(qū)動下裂解水產(chǎn)生的電子轉移至PSⅠ，最終到達納米材料并驅(qū)動H+還原生產(chǎn)H2。與PSⅠ相似，構建的PSⅡ-電極雜化體的操作性更強，以ErwinReisner 為代表的課題組在該領域作出了重要貢獻［47］。他們將藍細菌或菠菜來源的PSⅡ固定在電極上，產(chǎn)生的最大光電流已經(jīng)超過900μA/cm2［46］。在此基礎上將氫酶固定在陰極，PSⅡ修飾的陽極在光照條件光解水產(chǎn)生的電子，在外加電場偏壓下，電子通過導線由陽極傳遞至陰極上的氫酶，催化質(zhì)子還原成H2。在上述電子傳遞的過程中，PSⅡ吸光產(chǎn)生的光激發(fā)電子，其還原電位約?0.6 V，并直接傳遞給PQ，其還原電位降至約0 V，而氫酶Fe-S簇的還原電位約為?0.4 V，因此需要外加電場克服0.4 V 的電位差［圖2（c）］。天然光系統(tǒng)中，PSⅡ通過偶聯(lián)PSⅠ再次吸收光能產(chǎn)生還原電位更強的電子，通過模擬天然光系統(tǒng)，研究人員向PSⅡ修飾的光陽極中引入第二光吸收劑：CdS、PbS 或有機分子染料二酮吡咯并吡咯（PPy）［47］，例如，李燦院士團隊構建CdS-PSⅡ的雜化體，可以在無外加電場的條件實現(xiàn)光能到H2的轉化，其效率為0.34%［48］［圖2（c）、（d）］。

圖2 基于生物光吸收劑的雜化體示意圖H2ase-氫酶；FDHase-甲酸脫氫酶（a） PSⅠ作為光敏劑，吸收光能后發(fā)生電子-空穴分離，導帶上e?轉移給非生物催化劑，最終還原H+成H2［44］；（b） PSⅡ和Ru/SrTiO3：Rh構建Z型方式傳遞，PSⅡ?qū)霞ぐl(fā)的光電子傳遞到Ru/SrTiO3：Rh，經(jīng)過二次激發(fā)產(chǎn)生電勢較高的電子，用于還原H+成H2［45］；（c） PSⅡ和DPP 染料構建Z 型電子傳遞鏈，與H2ase 或FDHase 構建半導體-酶雜化體［46］；DPP 染料C.B.的光生電子參與酶催化反應將H+還原為H2或?qū)O2固定為甲酸鹽；（d）在PSⅡ和H2ase/FDHase酶構成的對電極中，PSⅡ作為陽極光解水提供電子，陰極的酶則利用電子進行還原反應［3，47-48］Fig.2 Diagram for biological photosensitizer-material hybrids(a)PSⅠphotosensitizer harvests light and generates e?,which is then transferred to non-biological catalyst for reducing H+to H2[44].(b)PSⅡand Ru/SrTiO3:Rh form a Z-scheme structure.Photoelectrons from PSⅡneutralize h+ on V.B.of Ru/SrTiO3:Rh, leaving electrons with higher reduction potential on C.B.of Ru/SrTiO3:Rh to reduce H+ to H2[45].(c) PSⅡand DPP dye form a Z-scheme electron transfer structure, and together with formate dehydrogenase (H2ase) or formate dehydrogenase (FDHase) to build semiconductor-enzyme hybrid.Electrons on C.B.of DPP dye participate in catalytic reaction of enzyme to reduce H+ to H2 or fix carbon dioxide into formate[46].(d) PSⅡacts as photoanode to catalyze water splitting to provide electrons,and enzyme at photocathode uses the electrons to drive reduction reaction[3,47-48]

PSⅠ和PSⅡ構建的雜化體目前已成功實現(xiàn)光驅(qū)動的全水分解，生產(chǎn)H2和甲酸。但是，光系統(tǒng)分離過程煩瑣，穩(wěn)定性差［15］，因此基于離體的光系統(tǒng)構建的雜化體系統(tǒng)更適合研究生物-材料界面電子傳遞機制，而不適合實際應用。Erwin Reisner系統(tǒng)地比較了離體PSⅡ和藍細菌細胞與電極結合之后的光電化學性質(zhì)［55］，發(fā)現(xiàn)離體PSⅡ蛋白修飾的光陽極產(chǎn)生的光電流（185μA/cm2）比藍細菌生物被膜修飾的光陽極高10 倍（14.7 μA/cm2），但是離體PSⅡ穩(wěn)定性非常差，僅在分離后的前6 h 產(chǎn)生光電流，而生物膜修飾光陽極電流可以持續(xù)5 d 以上。因此，基于藍細菌細胞與電極構建的雜化體具有更高的穩(wěn)定性、持久性且更具操作性。但是，藍細菌胞內(nèi)PSⅡ產(chǎn)生的電子，需要經(jīng)過較長的電子傳遞鏈并傳遞給多個電子受體，才能應用于胞內(nèi)的合成代謝反應（合成生物質(zhì)和胞內(nèi)代謝物），而目前構建的雜化體系統(tǒng)僅能將少量的光激發(fā)電子有效引導到電極上產(chǎn)生光電流。因此，需要研究藍細菌生物被膜與電極界面的電荷轉移機制并優(yōu)化電子傳遞，提高藍細菌光合作用的效率，只有將基于藍細菌雜化體的光電流至少提高幾個數(shù)量級之后，才有可能具有商業(yè)應用的潛力［56］。

3 基于材料光吸收劑的雜化體

通過模擬生物光吸收劑，開發(fā)基于材料光吸收劑的雜化體，利用材料吸收光能為生物組分提供能量，提高雜化體的性能。這里材料光吸收劑主要包括：分子染料、高分子、半導體和光響應電極等［57］［圖3（a）］，另外還包括具有光敏活性的蛋白（不在本綜述中討論）。材料通過吸收光子產(chǎn)生激發(fā)電子傳遞給生物催化劑，電子的還原電位由材料的能帶位置決定，因此針對特定的生物還原反應可以選擇最合適的材料吸光劑，以驅(qū)動生物催化反應合成還原性的產(chǎn)物［58］?；陔s化體系中生物組分，本文將使用材料吸光劑的雜化體分為兩類：材料-酶雜化體和材料-微生物雜化體，并分別總結兩個雜化體系近年來的研究進展。

3.1 材料-酶雜化體

材料吸收光能產(chǎn)生的高能電子可以通過直接或間接的方式傳遞給酶［圖3（b）］，而對應的空穴需要電子供體來消耗，從而維持材料光吸收劑誘導光生電子的能力。常用的電子供體主要包括：抗壞血酸（AA）、三乙醇胺（TEOA）、水和乙二胺四乙酸（EDTA）等［圖3（c）］。這里直接電子傳遞是指光激發(fā)的電子可以直接傳遞到酶分子的活性中心輔基，例如：血紅素（Heme）、黃素（Flavins）、和鐵硫簇［Fe-S］等［57］；而間接電子傳遞是指光激發(fā)電子需要通過氧化還原介質(zhì)傳遞到相應的酶［57］。圖3 列舉了在光驅(qū)動的雜化體中常見的光吸收劑、酶催化劑、電子供體和氧化還原介質(zhì)。

圖3 材料-酶雜化體中的主要組成部分（a）常用光吸收劑主要分為蛋白質(zhì)光敏劑，染料/高分子為主的有機光敏劑和半導體材料［57］；（b）用于構建的材料-酶雜化體中常用的酶［3］；（c）主要電子供體的結構式，電子供體用于在催化體系中中和空穴，提供電子，使反應順利連續(xù)進行［57］；（d）氧化還原介質(zhì)的結構式，其中［Cp*Rh（bpy）H2O］2+和NAD（P）H是使用最廣泛的介質(zhì)［57］；PSP-光敏蛋白質(zhì)［59］Fig.3 Diagram for components in materials-enzymes hybrid systems(a) Major photosensitizers including proteins, organic photosensitizers and semiconductor materials[57].(b) Representative enzymes used in the material-enzyme hybrids[3].(c) Major electron donors[57].(d) Redox mediators.[Cp*Rh(bpy)H2O]2+ and NAD(P)H are the most widely used mediators[57].PSP-Photo-sensitive protein[59]

3.1.1 直接電子傳遞驅(qū)動酶催化反應

一部分催化還原反應的酶，其活性中心包含能直接接受電子的輔基，如含有［Fe-S］的氫酶和一氧化碳脫氫酶、含有Heme細胞色素P450、含有Flavins 的老黃酶和延胡索酸還原酶。將材料吸光劑與相應的酶結合，在酶與光吸收劑接觸位點設計合理的能級結構，使光激發(fā)的電子有效傳遞到酶上參與氧化還原反應，而不依賴于輔酶等氧化還原介質(zhì)［圖4（a）］［60］。

圖4 材料-生物雜化體示意圖［在基于半導體或電極構筑的材料-酶雜化體系中，電子的轉移方式分為直接電子轉移（a）和間接電子轉移（b）［3，57］；在材料-微生物雜化體（c）中，材料可以分布在細胞外，細胞膜上和細胞內(nèi)部，材料產(chǎn)生的光電子會進入微生物細胞內(nèi)，為胞內(nèi)代謝途徑提供能量［3］；電極-細菌雜化體（d）分為游離系統(tǒng)和固定化系統(tǒng)［3，9，61］］Fig.4 Diagram for materials biohybrid systems[In semiconductor/electrode-enzyme hybrid systems, there are two electron transfer routes: direct (a) and indirect electron transfer (b)[3,57]; In semiconductor-microbial hybrid systems (c), the nanoparticles are distributed at different sites of the cell, including extracellular, surface and intracellular[3];Electrode-bacteria hybrids(d)include free and immobilized cell systems[3,9,61]]

材料-酶的雜化體中，目前研究最廣泛的酶是氫酶，根據(jù)活性位點鐵基金屬離子族的種類可以將氫酶分為不同的類型（例如［FeFe］氫酶、［NiFe］氫酶、［NiFeSe］氫酶）。通過納米材料-氫酶偶聯(lián)，光生電子經(jīng)過［Fe-S］到達酶的活性中心，催化質(zhì)子還原成H2。目前已有多種納米材料與氫酶成功構 建 了 雜化體，包括CdS［62］、CdTe［63］、碳點［64］、TiO2［65-66］等。Brown 等［62］通過在CdS 表面修飾3-巰基丙酸，使其表面帶負電，通過靜電自組裝將帶正電的［Fe-Fe］氫酶連接到材料表面，在無氧、405 nm的光照條件下，氫酶的轉換數(shù)106h?1，量子效率達到20%。盡管［FeFe］氫酶的產(chǎn)氫活性較高，但對O2極其敏感，微量的O2會導致酶不可逆的失活［67］。［NiFeSe］氫酶對O2具有較好耐受性，可以實現(xiàn)在空氣條件下產(chǎn)H2。Reisner等［67］將光吸收劑Ru修飾的TiO2與桿狀脫硫微菌（D.baculatum）來源的［NiFeSe］氫酶復合，將Ru 與氫酶同時固定在TiO2的表面，縮短Ru在光照的條件下產(chǎn)生的電子傳遞到氫酶活性中心的距離，最終可以實現(xiàn)空氣環(huán)境中、可見光驅(qū)動的產(chǎn)氫，轉化數(shù)達1×105h?1。另外，Reisner 等［68］報道通過有機染料曙紅Y（EY）與［NiFeSe］氫酶復合，該雜化體在無氧的條件下，EY 吸光產(chǎn)生的激發(fā)電子直接傳遞到氫酶活性中心，生產(chǎn)H2的轉換數(shù)為5×104h?1，同時證實該雜化體在空氣中也具有活性。

除了氫酶之外，直接電子傳遞介導的材料-酶的雜化體還應用于CO2還原，氮氣固定和P450 等催化的氧化還原反應。Armstrong 等基于吸附了光敏劑Ru-吡啶的TiO2NPs（RuP-TiO2NPs）和具有活性中心的一氧化碳脫氫酶（［NiFe］CODH），構建了酶光耦合催化系統(tǒng)將CO2還原成CO［69］。RuP 吸收可見光，激發(fā)態(tài)電子被注入TiO2的導帶，進一步通過D-簇進入［NiFe］CODH，經(jīng)過［Ni4Fe-4S］簇到達酶的活性中心參與CO2還原。RuP 上的空穴注入價帶后與犧牲劑（如MES、EDTA等）提供的電子結合，重新回到基態(tài)。Erwin Reisner 等［61］將來自Desulfovibrio Hildenborough（DvH）的甲酸脫氫酶結合在RuP-TiO2NPs 金屬氧化物電極上，在可見光驅(qū)動下光敏劑提供電子，通過酶-金屬氧化物界面的直接（無擴散介體）電子轉移，將CO2還原為甲酸鹽。Brown 等［7］構建CdS 與MoFe 固氮酶的雜化體系，首次實現(xiàn)光驅(qū)動N2固定合成NH3的重大突破，其固氮速率為生物固氮的64%。上述采用直接電子傳遞方式的材料-酶雜化體體系簡單，酶的活性和穩(wěn)定性較高。

3.1.2 間接電子傳遞驅(qū)動的酶催化反應

酶的性能與結構有關，并非所有酶都能直接接受電子，自然界中很多酶利用電子進行催化反應需要經(jīng)過中間轉移過程。在自然光合作用的光反應中，葉綠素吸收一個光子產(chǎn)生一個電子，高能電子沿電子傳遞鏈傳遞，并最終還原Fd。Fd 作為電子轉移介體，與FNR 反應，再生具有酶活性的NADPH。葉綠素通過從水的光解過程中重新獲得電子［70］，并釋放O2。

與自然光合作用類似，材料-酶雜化體系使用的多種不同功能的酶，例如與CO2還原相關的酶，需要通過氧化還原介質(zhì)［M，也稱為電子傳遞介質(zhì)，如甲基紫精（MV2+）、NAD（P）H 等］來介導電子的傳遞，才能實現(xiàn)催化作用。如圖4（b）所示，在電子產(chǎn)生和轉移過程中，半導體光吸收劑為體系提供電子，M 則為該反應轉移電子，最終推動酶催化反應循序進行。其中輔因子NADH 具有立體特異性和區(qū)域特異性，是酶催化系統(tǒng)中常用的和關鍵的犧牲劑，能在溫和條件下促進質(zhì)子和電子傳遞到酶活性中心。多個材料-酶光催化固碳系統(tǒng)，依賴NADH 輔酶來推動酶的氧化還原反應，因此提高輔酶的再生效率和穩(wěn)定性在間接電子傳遞驅(qū)動酶催化反應中至關重要。青島科技大學劉健團隊通過仿生硅藻細胞膜結構合成石墨基氮化碳（g-C3N4），光生電子在電子傳遞介質(zhì)五甲基環(huán)戊二烯銠聯(lián)吡啶（［Cp*Rh（bpy）H2O］2+）的協(xié)助下，催化NAD+還原再生NADH，NADH 在反應2 h 后再生效率高達100%，而無電子傳遞介質(zhì)時，再生效率僅為50%［71］。在此基礎上，該團隊發(fā)展了一種仿生二維單原子光催化劑，設計合成了Co 單原子負載的C3N4納米片催化劑（Co1/C3N4），實現(xiàn)原位再生NADH 驅(qū)動氧化脫氫酶將苯甲醛還原成苯甲醇，轉化效率達100%［72］。

盡管材料-酶雜化體在光驅(qū)動酶催化研究中取得重要研究進展，但該系統(tǒng)依然面臨兩大主要問題：①光吸收劑以及光生空穴對酶的抑制，即吸光材料與酶分子的相容性；②電子在光吸收劑和酶之間傳遞效率。最近，天津大學姜忠義研究團隊［73］受自然界光合作用過程中電子傳遞和酶保護協(xié)調(diào)機制啟發(fā)，通過在g-C3N4表面修飾［Cp*Rh（bpy）H2O］2+和介孔TiO2涂層，一方面保護醇脫氫酶不被g-C3N4和［Cp*Rh（bpy）H2O］2+抑制，另一方面，g-C3N4光生電子直接傳遞或通過介孔TiO2傳 遞 給［Cp*Rh（bpy）H2O］2+，原 位 再 生NADH，提高電子傳遞到酶的效率并減少電子與空穴復合，最終驅(qū)動醇脫氫酶將甲醛還原成甲醇，與沒有修飾的g-C3N4相比，醇脫氫酶的活性提高了4.2倍。

上述反應體系多為單酶催化過程，生物催化途徑通常含有多步酶催化反應，來實現(xiàn)利用不同底物合成目標產(chǎn)物。Seelajaroen 等［74］將甲酸脫氫酶、甲醛脫氫酶和甲醇脫氫酶固定在石墨烯上，制成電極，利用電極直接注入電子電化學再生NADH，催化酶級聯(lián)反應進行，將CO2還原成甲醇，法拉第效率達12%。

3.2 材料-微生物雜化體

材料-酶雜化體光驅(qū)生物催化已成功應用于光能到化學能的轉化和多種產(chǎn)品的合成，為解析光生電子在材料與酶分子之間的傳遞過程和機理提供簡易模型，指導了材料-生物雜化體的構建和優(yōu)化。盡管材料-酶雜化體系具有上述諸多優(yōu)點，但該體系有一些固有的缺點：①酶的分離純化過程繁雜及其在離體環(huán)境中的不穩(wěn)定性；②材料本身以及在光催化過程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)對酶活性的抑制；③需要添加額外的電子供體犧牲劑，而且大部分體系需要添加電子媒介［Cp*Rh（bpy）H2O］2+促進電子傳遞，但［Cp*Rh（bpy）H2O］2+成本較高，目前尚未開發(fā)出高效廉價的電子媒介；④離體酶無法實現(xiàn)再生和自主修復［57］。這些缺點限制了材料-酶雜化體在太陽能轉換中的商業(yè)應用價值。

與材料-酶雜化體相比，微生物細胞能進行自主復制和自我修復，細胞內(nèi)的代謝途徑和酶網(wǎng)絡可以實現(xiàn)更復雜的化學反應，能夠特異和高效地引導底物生成，產(chǎn)生多種材料-酶雜化體無法合成的復雜產(chǎn)物［10］。材料-細胞雜化體的核心是結合納米材料與微生物催化體系的優(yōu)勢，利用材料作為光吸收劑，生物細胞作為“催化劑”，光吸收劑產(chǎn)生的光生電子被微生物利用，參與代謝反應，從而選擇性合成目標代謝產(chǎn)物［圖4（c）］。目前，已通過半導體、染料/高分子和電極與不同細胞的復合，設計和制備了多種具有半人工光合作用的材料-微生物雜化體。

3.2.1 半導體-微生物雜化體

基于半導體-微生物復合的半人工光合作用，其本質(zhì)是半導體材料在光照下產(chǎn)生電子，將其傳遞給微生物，參與胞內(nèi)代謝反應［圖4（c）］。在最初的光催化劑-微生物復合的半人工光合體系的研究中，楊培東課題組［75］利用熱醋穆爾菌（M.thermoacetica）的自然解毒機制，將具有生物毒性的鎘離子（Cd2+）與細胞共培養(yǎng)，在此過程中，細菌細胞表面原位形成并沉積CdS NPs。光照下，來自CdS NPs 的光生電子穿過細胞膜，通過Wood-Ljundahl途徑參與CO2轉化為乙酸的反應，其光能轉化為乙酸的量子效率2.4%。同樣，研究人員將光合固氮細菌（R.capsulata）與敏化的TiO2-MV2+系統(tǒng)相偶聯(lián)，在光驅(qū)動下復合體系能催化產(chǎn)生H2［76］。Wang等［77］利用光合沼澤紅假單胞菌（R.palustris）與CdS NPs 組成無機-生物雜化體系，經(jīng)可見光照射CdS NPs 產(chǎn)生的光生電子促進R.palustris的CO2還原和有價值的C2+化學品生成，在該過程中，CBB循環(huán)中間體甘油醛-3-磷酸、生物質(zhì)、類胡蘿卜素和聚β-羥基丁酸酯的產(chǎn)量均增加。

除了上述自養(yǎng)微生物，材料-微生物雜化體系在異養(yǎng)生物中也證實有效。Wang等［78］通過在細胞表面沉積CdS NPs促進非光合生物大腸桿菌（E.coli）在厭氧條件下生產(chǎn)H2。隨后Wei 等［79］在此基礎上利用表面展示系統(tǒng)在E.coli細胞表面原位生物合成具有生物相容性的CdS NPs，同時引入二氧化硅封裝策略，使這種混合系統(tǒng)即使在自然有氧條件下也能連續(xù)生產(chǎn)H2。Guo等［80］在釀酒酵母（S.cerevisiae）細胞表面修飾磷化銦（InP）納米材料，有效光再生NADPH，成功實現(xiàn)了光驅(qū)動異養(yǎng)細胞合成莽草酸。目前，已有多種異養(yǎng)微生物例如卵形鼠孢菌（S.ovata）［61］、巴氏甲烷八疊球菌（M.barkeri）［81-82］和羅爾斯通菌（R.eutropha）［83］等成功構建具有光合功能的材料-微生物雜化體。在這些混合雜化體中，微生物細胞通過材料接收外界傳遞的電子或還原當量，利用細胞內(nèi)特有途徑進行合成代謝反應，從而光驅(qū)動合成化學品或能源燃料。除此之外，研究者們探究了材料-微生物雜化體其他方向的應用，如周順桂課題組研究了雜化體在環(huán)境污水治理方面的應用，利用微生物細胞構建了硫還原地桿菌（Geobacter sulfurreducens）-CdS 雜化體，用于光驅(qū)動下生物還原偶氮染料甲基橙（MO）。在此系統(tǒng)中一部分光生電子直接還原MO，另一部分電子被微生物利用進行MO的生物還原，其處理效果優(yōu)于使用單獨的CdS材料或細胞［84］。張先正課題組［85］報道了一種光控材料輔助微生物系統(tǒng)，通過在希瓦菌K3259（Shewanella algaeK3259，S.algae）表面生物合成AuNPs 制備了雜化生物系統(tǒng)，利用S.algae的雙向電子傳遞機制，增強了抗腫瘤河豚毒素的原位合成，具有良好的抗腫瘤作用。

除了半導體納米材料外，具有量子尺寸效應的材料，也能為細胞提供電子。Li 等報道較小尺寸（約5 nm）的Au NPs可進入小球藻（C.zofingiensis）細胞內(nèi)部［圖4（c）］，提高PSⅡ中的相對電子傳遞速率和胞內(nèi)的活性氧水平，從而提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量［86］。楊培東團隊［87］在構建CdS-M.thermoacetica雜化體的工作基礎，利用生物相容性更好的光吸收劑--金納米團簇（Au NCs）代替CdS，降低材料與微生物結合后產(chǎn)生的毒性；Au NCs 可以直接進入細菌細胞內(nèi)，在胞內(nèi)產(chǎn)生電子和還原力，縮短電子傳遞距離，最終在雜化體系中光驅(qū)動CO2合成乙酸，與CdS 基雜化體相比量子效率提高了33%。為了進一步提高材料與胞內(nèi)代謝酶特異性的相互作用，Ding 等［88］設計了多種核殼結構的量子點（QDs），所有QDs 均由硫化鋅（ZnS）外殼包裹，同時通過合成生物學方法在微生物細胞內(nèi)引入表達組氨酸標簽（His-tag）的目標代謝酶（例如氫酶、固氮酶）。ZnS 外殼可以使QDs 特異性結合表達His-tag 的酶，在光照條件下，QDs 的光生電子直接傳遞給酶，最終有效提高光驅(qū)動H2產(chǎn)量和N2的固定效率。為實現(xiàn)光能的高效吸收及電子的高效傳遞，雍陽春團隊［89］合理設計周質(zhì)光敏生物雜交系統(tǒng)（periplasmic photo sensitized biohybrid system，PPBS），將作為光敏劑的CuInS2/ZnS QDs及作為生物催化劑的氫化酶均定位于細胞的周質(zhì)空間內(nèi)，實現(xiàn)了高效的太陽能制氫。PPBS 在可見光照射下表現(xiàn)出顯著的連續(xù)產(chǎn)氫特性，遠遠高于單獨使用QDs或細胞。

半導體材料在光照下產(chǎn)生電子-空穴對，光生電子進入細胞參與胞內(nèi)代謝反應，因此材料與細胞之間的界面電荷轉移是影響材料-微生物雜化體性能的重要因素，研究人員目前開發(fā)的半導體-微生物雜化體中，材料有分布于細胞表面、細胞內(nèi)部、胞內(nèi)特定蛋白上這幾種方式，從而形成不同的電子傳輸界面［圖4（c）］。在不同的分布體系中，光生電子的傳輸方式和傳輸效率，還需進一步研究。

3.2.2 染料/高分子-微生物雜化體

染料和高分子也是一類能提供光生電子的光敏劑，相比固體的半導體納米材料，它們能以游離的分子形式使用，通過靜電作用、范德華力或物理作用等與細胞復合，有利于形成接觸良好的雜化體。

EY、卟啉和Ru-吡啶染料等材料被廣泛用于提供光電子。在微生物中表達活性的P450，需要同時表達還原伴侶蛋白，來源于NAD（P）H 的2 個電子需經(jīng)過還原伴侶蛋白才能傳遞到P450 反應中心激活加氧反應［90］。Park 等［60］研究發(fā)現(xiàn)EY 可以穿過E.coli的細胞膜進入細胞內(nèi)，特異性結合到外源表達的P450 蛋白的Heme 活性中心區(qū)域，EY 的光生電子可以直接傳遞到Heme 激活加氧反應，實現(xiàn)在不表達還原伴侶蛋白的條件下維持P450活動。該結果為將來表達具有活性的P450 提供一種全新的策略，特別是對還未找到相應還原伴侶的P450表達提供幫助。

王樹研究團隊開發(fā)了一系列有機高分子光敏劑材料，例如，光活性陽離子聚（芴-共-亞苯基）衍 生 物（PFP） 與 藍 細 菌（Synechococcussp.PCC7942，Syne）通過靜電組裝構建了雜化體，PFP 優(yōu)異的紫外光捕獲能力顯著提高了Syne 的光利用，加速了電子轉移速率，進一步增強了光合作用的效率［91］。苝二酰亞胺衍生物（PDI）和聚PFP 形成p-n 異質(zhì)結層覆著于M.thermoacetica細胞表面作為光敏劑，細胞因此可以從PFP/PDI異質(zhì)結層獲得光激發(fā)電子，通過Wood-Ljundahl 途徑固定CO2合成乙酸［92］。該團隊還開發(fā)了具有熒光特性的雙親性低聚（對亞苯基亞乙烯基）-Rh 配合物（OPV-Rh），其表面帶正電荷，與細胞親和能力強，可作為細胞內(nèi)催化劑將NADP+轉化為NADPH，從而增強聚羥基丁酸酯（PHB）生物材料的生物合成［93］。此外，Zhou等［94］發(fā)現(xiàn)具有綠光吸收和遠紅光發(fā)射的聚合物聚（硼-二吡咯甲基-共-芴）（PBF）可以提高蛋白核小球藻（C.pyrenoidosa）PSⅠ的活性，隨后進一步提高PSⅡ活性以增強自然光合作用，PBF 調(diào)控PSⅠ和PSⅡ之間的狀態(tài)轉換，加速了光合電子傳遞，增加了O2、ATP 和NADPH的產(chǎn)量。Qi等［95］研究發(fā)現(xiàn)利用細胞生成的生物鈀催化劑可在C.pyrenoidosa細胞表面原位合成光活性聚苯乙烯乙炔（PPE），PPE 通過擴大光吸收范圍和加速循環(huán)電子的傳遞從而增強胞內(nèi)ATP 的合成。

目前，在構建材料-微生物雜化體的研究中，關于染料/高分子的使用相對較少，原因可能是相較于半導體材料，染料容易發(fā)生光漂白，且能帶難以調(diào)節(jié)，提供的還原電勢較弱；高分子光敏劑的能帶可以通過官能團修飾和控制聚合度來調(diào)控，但單體聚合合成不可控，得到的物質(zhì)是混合物，重現(xiàn)性較差。此外，這二者還面臨生物相容性和環(huán)境毒性的問題。

3.2.3 電極-微生物雜化體

與基于光催化劑-微生物復合的半人工光合作用體系相比，電極-微生物雜化體具有更好的可調(diào)性和可操作性。根據(jù)細菌與電極的相互作用方式，電極-微生物雜化體可以分為［圖4（d）］：①游離系統(tǒng)，微生物細胞以游離的形式分散在電解池中，電極產(chǎn)生的電子與H2或氧化還原介質(zhì)的合成相偶聯(lián)，然后再被微生物利用；②固定化系統(tǒng)，微生物固定在光電極上，電極產(chǎn)生的電子直接傳遞給微生物。

楊培東及其合作課題組［81］構建由一個光解水的TiO2光陽極和合成H2的p-InP-Pt光陰極組成的光電化學池與游離的甲烷菌（M.barkeri）復合的雜化系統(tǒng)，在光照的條件下，M.barkeri可以利用陰極產(chǎn)生的H2作為還原力，驅(qū)動CO2還原成甲烷。該系統(tǒng)7 d 累計甲烷產(chǎn)量為4.24 mmol，法拉利效率為74%。Nocera 團隊采用類似的策略，構建了CoPi 陽極和Co-P 陰極，與經(jīng)過代謝工程改造的富養(yǎng)產(chǎn)堿菌（R.eutropha）復合，實現(xiàn)陰極產(chǎn)生的H2驅(qū)動CO2還原成多種高能量的多碳化合物：聚（3-羥基丁酸酯）、異丙醇、異丁醇和3-甲基-1-丁醇。所構建光伏設備的光電轉換效率可達18%，基于該效率，上述電極-R.eutropha雜化體光能轉換為生物質(zhì)的效率接近10%，光能轉換為化學品效率超過7%［96］，與天然光合作用效率最高的微藻在最佳培養(yǎng)條件下的光能轉換效率相當（5%～7%）［17］。除了固碳之外，Nocera 團隊將上述電極與固氮菌（自養(yǎng)黃色桿菌X.autotrophicus）復合，應用于能量需求更高的固氮反應［97］。該系統(tǒng)也是利用H2作為電子載體，連接電極和微生物細胞。但是，由于H2在水溶液中溶解度非常低（0.79 mmol/L）且在電極界面?zhèn)鬟f的效率低，因此限制了整個系統(tǒng)的能量傳遞速率。最近，Liu 團隊［98］利用氟化碳納米乳劑作為H2的載體，提高H2的傳遞效果和微生物細胞周圍可利用的H2濃度，將H2驅(qū)動S.ovata還原CO2合成乙酸的效率提高1.9倍。

通過將微生物緊密結合在電極上，電極上的電子無需轉移給低溶解度的電子載體H2，可以直接通過細胞膜進入細胞內(nèi)參與胞內(nèi)代謝途徑［圖4（d）］。楊培東團隊［61］在2015 年首次將硅納米線陣列與S.ovata復合，微生物細胞結合在硅納米線上，能直接利用硅納米線的光生電子在中性pH、無輔助介質(zhì)的條件下，驅(qū)動胞內(nèi)Wood-Ljungdahl 途徑固定CO2合成乙酸；合成生物學改造的E.coli可以直接利用乙酸作為底物，合成高附加值的化學品和藥物［圖4（d）］。該系統(tǒng)在概念上證實可直接利用光能將CO2和水轉化為多碳化合物，但其光能到化學能轉化效率僅為0.4%。近期，楊培東課題組［99］報道通過優(yōu)化電解質(zhì)pH 和緩沖能力，提高細菌與電極的界面相互作用，實現(xiàn)了高密度的細菌與硅納米線陣列結合。該優(yōu)化系統(tǒng)的CO2還原電流密度達到0.65 mA/cm2，對應光能到化學能轉化效率提高至3.6%，可以媲美絕大部分天然光合作用的轉化效率（4%～5%）。微生物固定到電極表面有利于電子傳遞，在傳遞效率上，結合在電極表面的細菌越多越好，但超過一定厚度的細菌結合在電極材料表面，就會抑制光電極的吸光性能，在一定程度上限制電極-固定微生物系統(tǒng)光能向化學能的轉化效率。因此，將來對電極-微生物雜化體的設計中，在擴大細菌結合位點的同時應避免過厚的細菌疊積，例如設計三維多孔電極，有利于提高電極-微生物相互作用和提高光能轉換效率。

4 總結與展望

目前材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化技術還處于起步階段，光能轉化為化學能的效率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性以及規(guī)模化等，還無法滿足實際應用的需求。解決上述問題的關鍵是深入理解材料-微生物的界面相互作用，提高材料的穩(wěn)定性和生物相容性，改善能量與電荷在界面處的傳遞效率以及生物體系能量利用效率。

當前可以利用的材料還非常有限，但隨著材料化學的不斷發(fā)展，將會有更多的新型材料應用于雜化體系。通過對材料的組成成分、形貌和表面修飾等方面進行調(diào)整和優(yōu)化，可以為創(chuàng)造最佳的材料-生物組合提供條件。例如活性氧自由基是材料-生物雜化體系中最常見的有毒物質(zhì)，楊培東團隊［100］通過在嚴格厭氧菌（M.thermoacetica）表面包裹一層金屬有機框架（MOFs）材料，在有氧的條件下可以有效降低體系中活性氧自由基對細菌的毒性，提高雜化體系的穩(wěn)定性。另外，根據(jù)生物組分（微生物細胞或酶）的特性和目標代謝途徑選擇合適材料元件，能實現(xiàn)材料與微生物細胞的可控結合（分布在細胞外、細胞膜上、細胞內(nèi)和特異性結合目標蛋白），從而構建功能性的雜化體。

微生物在材料-生物雜化體中有著至關重要的作用，目前該領域的研究團隊主要來自材料或化學相關背景的領域，材料-微生物雜化體中涉及的微生物種類有限，且微生物多為野生型菌株或僅僅導入一些簡單代謝途徑的工程菌。隨著越來越多的微生物學和合成生物學領域的研究人員加入這一新興的領域，對微生物進行多種多樣的改造和優(yōu)化，將進一步拓寬材料-生物雜化體的研究及應用。值得關注的是，材料與微生物的結合必定對微生物產(chǎn)生影響，最近研究人員通過蛋白質(zhì)組學和代謝組學分析，發(fā)現(xiàn)微生物與材料結合后，胞內(nèi)多種蛋白和代謝物都不同程度地上調(diào)或下調(diào)，其中與能量代謝相關的基因（如NADH 脫氫酶、ATP合酶等）顯著上調(diào)，符合光驅(qū)動納米材料為胞內(nèi)提供更多能量的預期［101］。另外，目前針對半導體光催化產(chǎn)生的電子向胞內(nèi)傳遞的通路，通過光譜分析（瞬態(tài)吸收光譜、時間分辨紅外光譜）發(fā)現(xiàn)野生型的M.thermoacetica細胞膜上的氫酶參與電子傳遞，且存在其他途徑［102］，但具體電子傳遞鏈至今未知。最近，Xiong 等［103］通過電極與PSⅡ功能缺失的藍細菌突變體進行復合，結合光合電子傳遞抑制劑，發(fā)現(xiàn)胞外電子的入口可能是PQ。未來將進一步結合組學分析、光譜學分析和微生物生理生化分析，解析能量和電荷在材料-微生物界面?zhèn)鬟f的通路、胞內(nèi)電子傳遞通路及能量利用的優(yōu)先順序，這將有利于尋找潛在提高胞內(nèi)能量的利用效率的靶點，理性指導細菌電子轉移和受體蛋白的遺傳改造，以提高電子傳遞效率為細菌提供充足電子，使材料-微生物雜化體高效合成目標產(chǎn)物成為可能。

總之，為了獲取更高的光能到化學能的轉化效率，基于材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化集合了自然光合作用和人工光合作用的優(yōu)勢，未來工作需要分別從材料、微生物以及材料-微生物的復合形式等多方面開展工作，最終推動材料-生物雜化體的規(guī)?；谩?/p>