超級(jí)英雄是怎么誕生的？鋼鐵俠告訴你：電磁石心臟+鋼鐵盔甲。

 

 

 

俄羅斯公司所推出的軍用外骨骼裝備

 

超級(jí)戰(zhàn)士是怎么誕生的？俄羅斯人告訴你：軍用外骨骼。他們?cè)缭?015年就嘗試配發(fā)裝備有第二代外骨骼的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效分擔(dān)士兵身上大約95%的負(fù)荷。

 

看，當(dāng)人類希望提升自身機(jī)能時(shí)，想到的第一方案是開“外掛”。

 

那么當(dāng)人類對(duì)微觀生命體的能力不太滿意時(shí)，會(huì)怎樣去改造它們呢？除了對(duì)微生物進(jìn)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(dǎo)體。

 

下面我們來看看微生物和半導(dǎo)體的組合能夠產(chǎn)生什么火花。

 

熱醋穆爾氏菌+硫化鎘=更多能量

 

第一對(duì)組合由著名的華裔化學(xué)家與材料科學(xué)家楊培東教授的團(tuán)隊(duì)“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(dǎo)體硫化鎘。

 

 

太陽能是目前我們所知最大的能量來源，人類主動(dòng)捕獲太陽能主要通過無機(jī)的固態(tài)材料和生物的光合作用系統(tǒng)。盡管固態(tài)半導(dǎo)體光吸收器的捕光效率通常要高于生物的捕光效率，但是將捕集到的光電子轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)能對(duì)于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(yōu)勢(shì)，但是在將電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)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(huì)把收集到的能量貯存到多碳化合物的化學(xué)鍵之中。

 

 

葉綠體中光合作用的原理圖

 

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

 

目前自然界發(fā)現(xiàn)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(huán)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(shí)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(gè)CO2分子，從能效的角度看，對(duì)于生長(zhǎng)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(yīng)器中培養(yǎng)的藻類也僅為3%左右。

 

在對(duì)不同固碳途徑的熱動(dòng)力學(xué)進(jìn)行比較時(shí)，一個(gè)叫做Wood-Ljungdahl的固碳途徑由于其固碳所具有的能量?jī)?yōu)勢(shì)脫穎而出，在將CO2固定成丙酮酸的過程中， 與Calvin-Benson需要7個(gè)ATP和5個(gè)還原力相比，它只需要1個(gè)ATP和5個(gè)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(tǒng)稱，常見的包括NADH,NADPH,FMN和FAD）。 該途徑可以先將CO2轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A，再轉(zhuǎn)化成乙酸排出體外，而這兩種化合物均可以被微生物升級(jí)成經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的化合物，比如一些含有6個(gè)碳的酸。

 

擁有這個(gè)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(shí)還能夠?qū)⒁环N半導(dǎo)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(duì)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(dǎo)體具體是怎樣被結(jié)合的呢？具體的過程是在培養(yǎng)熱醋穆爾氏菌的時(shí)候添加半胱氨酸，作為硫源，再等到它的生長(zhǎng)狀態(tài)比較好的時(shí)候?qū)㈡k離子Cd2+以Cd(NO3)2的形式加入培養(yǎng)基，這時(shí)形成的硫化鎘（CdS）納米粒子便會(huì)附著到熱醋穆爾氏菌的表面，兩者形成一個(gè)共生體。

 

這個(gè)共生體對(duì)光的利用分為兩個(gè)步驟，首先是CdS將從太陽光所吸收的能量轉(zhuǎn)化成電子，這些電子又能促進(jìn)還原力[H]的形成，還原力的形成又會(huì)使得CO2能夠經(jīng)由Wood-Ljungdahl途徑轉(zhuǎn)化成乙酸，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成熱醋穆爾氏菌生長(zhǎng)所需的各種物質(zhì)。

 

 

熱醋穆爾氏菌-硫化鎘的反應(yīng)原理 

 

科學(xué)家觀察了這種共生體的生長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)這種附著了硫化鎘的熱醋穆爾氏菌能夠繼續(xù)繁殖，它將所固定的CO2中的10%用來長(zhǎng)身體，其余90%基本全部轉(zhuǎn)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(dá)到了2.4%，超過了一般植物和藻類年平均量子效率1個(gè)數(shù)量級(jí)。 硫化鎘還對(duì)熱醋穆爾氏菌有保護(hù)作用，如果把硫化鎘移除，讓熱醋穆爾氏菌獨(dú)自在施加光照的條件下生長(zhǎng)，一天之后基本就全部死掉了，培養(yǎng)基中添加硫化鎘情況則會(huì)有所好轉(zhuǎn)。

 

未來，科學(xué)家的目標(biāo)一方面是找出更加廉價(jià)的原料來替代半胱氨酸形成CdS，拓展可沉淀到細(xì)菌表面的半導(dǎo)體材料的種類，節(jié)約成本，另一方面則是需要借助合成生物學(xué)的手段對(duì)熱醋穆爾氏菌進(jìn)行改造，盡可能使得最終的產(chǎn)物乙酸升級(jí)成其它高值化合物的過程也能夠發(fā)生在菌內(nèi)。

 

釀酒酵母+磷化銦=為“勞模”充電

 

在現(xiàn)代的生物化工行業(yè)里，微生物是生產(chǎn)各種化學(xué)品的細(xì)胞工廠，釀酒酵母和大腸桿菌才是這個(gè)領(lǐng)域真正的超級(jí)巨星和生產(chǎn)力擔(dān)當(dāng)，為它們找到合適的半導(dǎo)體材料可能實(shí)際收益更大。

 

因此這第二個(gè)組合是釀酒酵母和另一種半導(dǎo)體材料磷化銦（InP）的故事，是由哈佛大學(xué)Neel S. Joshi教授團(tuán)隊(duì)撮合的。

 

生物體內(nèi)的代謝網(wǎng)絡(luò)是很復(fù)雜的，簡(jiǎn)單來看可以分成合成代謝和分解代謝，合成代謝是將相對(duì)比較簡(jiǎn)單的代謝物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞大分子的過程，這個(gè)過程需要能量（ATP）和還原力（NADH，NADPH，F(xiàn)ADH2等），而分解代謝是將細(xì)胞內(nèi)的含能營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)化成幾種基本化合物的過程，這個(gè)過程會(huì)為細(xì)胞提供能量和還原力。

 

 

合成代謝和分解代謝的能量關(guān)系 

 

讓釀酒酵母產(chǎn)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(chǎn)生燃料、藥物、生物材料等化合物，它所產(chǎn)生的莽草酸是一些藥物和精細(xì)化學(xué)品通用的前體化合物。莽草酸算是處于合成代謝途徑中的一個(gè)化合物，它的合成需要還原力，而細(xì)胞體內(nèi)還原力主要是由PPP途徑（戊糖磷酸途徑）供應(yīng)的。

 

 

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

 

PPP途徑在細(xì)胞內(nèi)主要起兩個(gè)作用，除過提供合成代謝所需的還原力，另一個(gè)重要的功能是代謝途徑中不同數(shù)目碳原子的化合物為體內(nèi)各種生物分子的合成提供了前體，但是這個(gè)途徑的一個(gè)特點(diǎn)是每運(yùn)轉(zhuǎn)一次產(chǎn)生還原力的同時(shí)會(huì)釋放出一個(gè)CO2，這就造成了碳的損失，導(dǎo)致最終可以轉(zhuǎn)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(yīng)式

 

考慮到半導(dǎo)體材料能將光能轉(zhuǎn)化成電子，進(jìn)而再被微生物轉(zhuǎn)化成還原力，如果能以半導(dǎo)體加光能替代PPP途徑為莽草酸的合成提供還原力，那么就不會(huì)浪費(fèi)多余的碳源。磷化銦由于能夠吸收大部分的太陽能譜，和氧共存時(shí)比較穩(wěn)定以及良好的生物相容性被科學(xué)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）

 

具體的組裝過程是先將磷化銦納米顆粒和多酚組裝起來，之后借助多酚與細(xì)胞壁的相互作用將磷化銦組裝到釀酒酵母細(xì)胞表面。之后的測(cè)試結(jié)果表明，盡管表面組裝的這層半導(dǎo)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(chǎn)率卻是有所提升的，這初步證明利用這種“半導(dǎo)體鎧甲”的光電轉(zhuǎn)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(dǎo)體鎧甲還能在其它什么樣的場(chǎng)景下發(fā)揮作用呢？在釀酒酵母內(nèi)有一些生物堿，合成它們可能需要超過10個(gè)依賴于NADPH并且結(jié)合在膜上的細(xì)胞色素P450氧化還原酶，增強(qiáng)原力的供應(yīng)可能也是提高這些化合物的產(chǎn)率的一個(gè)可行的策略。

 

對(duì)于這種半導(dǎo)體鎧甲，未來的目標(biāo)一是開發(fā)適配大規(guī)模應(yīng)用發(fā)酵罐的光源，二是嘗試將這些半導(dǎo)體鎧甲裝備給其它勞模微生物，在不同的細(xì)胞工廠中去發(fā)光發(fā)熱。

 

從“超級(jí)微生物”到“超級(jí)工廠”

 

以上提及到的兩個(gè)故事在概念上具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，在實(shí)驗(yàn)室的條件下也有一定的可行性。雖然在實(shí)驗(yàn)室中利用細(xì)胞工廠生產(chǎn)各種化合物不難，但是，生物化工行業(yè)的要求是在成本可控的前提下實(shí)現(xiàn)過程放大，如果在成本和過程放大方面的問題解決不了，實(shí)際的意義也是有限的。

 

因此，這種將微生物和半導(dǎo)體材料所形成的雜合系統(tǒng)會(huì)對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生實(shí)在的影響嗎？科學(xué)家們可能還有很長(zhǎng)的路要走，這兩個(gè)方面的問題也是接下來應(yīng)該努力的方向。