混合系統(tǒng)的仿生二氧化硅封裝

圖3封裝混合系統(tǒng)在空氣中的光驅(qū)動制氫。(A)由仿生聚合物封裝的半導(dǎo)體工程大腸桿菌混合系統(tǒng)中的SFD。(B)基于氧微電極測量不同獨立封裝細胞聚集體中的氧氣濃度。(C和D)不同放大倍數(shù)下封裝細胞聚集體的掃描電鏡圖像。

我們的下一個目標(biāo)是在有氧條件下生成半導(dǎo)體-大腸桿菌細胞混合系統(tǒng)，以便更方便地應(yīng)用。一些生物體通過生物仿生礦化形成了特定的礦物結(jié)構(gòu)，可提供額外的保護和獨特的功能。最近，基于逐層組裝(LbL)的仿生二氧化硅封裝技術(shù)被成功用于酵母、藻類和細菌等生物體的細胞表面修飾。受這些開創(chuàng)性研究的啟發(fā)，我們將這種細胞封裝策略引入了我們的半導(dǎo)體-大腸桿菌混合系統(tǒng)，用于在空氣中制氫。利用已報道的LbL自組裝方法，我們在大腸桿菌細胞上涂覆了陽離子聚電解質(zhì)聚(二烯丙基二甲基氯化銨)(PDADMAC)和陰離子聚電解質(zhì)聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)。將表面包被的細胞放入含有50mM硅酸的培養(yǎng)基中，就形成了仿生硅膠包被細胞。根據(jù)Tang等人的研究，二氧化硅封裝誘導(dǎo)的細胞聚集會導(dǎo)致一種稱為空間功能分化(SFD)的特殊現(xiàn)象。在進行SFD時，聚合體外殼和覆蓋層的細胞會通過有氧呼吸逐漸消耗氧氣，從而為核心中的大腸桿菌細胞創(chuàng)造厭氧環(huán)境。因此，核心中的細胞被迫進行無氧代謝，從而保護了所表達氫化酶的催化活性(圖3A)。我們使用氧氣微電極來檢測內(nèi)部環(huán)境，并確認我們封裝的大腸桿菌聚集體的微觀結(jié)構(gòu)特征(圖3B)。在2000微米的聚集體中，由于細胞聚集和有氧代謝，氧氣濃度隨著探針深度的增加而降低。在聚集體的核心，O2濃度約為零，表明過表達的氫化酶被激活產(chǎn)生氫氣(圖3B)。掃描電子顯微鏡(SEM)圖像也直觀地顯示了封裝的大腸桿菌聚集體(圖3C和D)。封裝主要涉及硅酸脫水，硅酸礦化成二氧化硅，作為膠水將單個大腸桿菌細胞聚集成微球。

空氣中光驅(qū)動制氫

圖3(E)在生物雜交系統(tǒng)中連續(xù)制氫的測量結(jié)果。(F)各種生物雜交系統(tǒng)在有氧條件下產(chǎn)生的氫量測量結(jié)果([]表示硅化誘導(dǎo)的聚集)。HydA，[NiFe]氫化酶HyaABCDEF。

最后，我們測量了封裝混合系統(tǒng)在有氧條件下產(chǎn)生的H2量。由于大腸桿菌氫化酶對氧的內(nèi)在敏感性，我們將[NiFe]氫化酶HyaABCDEF質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到工程大腸桿菌中。封裝后加入異丙基-b-D-硫代半乳糖苷(IPTG)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)表達。我們對包含大腸桿菌/CdS/氫化酶/MV2+的雜交系統(tǒng)進行了長達96小時的產(chǎn)氫監(jiān)測，以檢驗其持續(xù)產(chǎn)氫的能力。我們在細胞聚集后立即誘導(dǎo)表達表面顯示的PbrR蛋白和重組氫化酶，以延長工程大腸桿菌細胞的活性。在蛋白質(zhì)過表達18小時后，我們收獲了聚集體，并將其重新懸浮在含有100mM NaCl的反應(yīng)溶液中。雖然系統(tǒng)中存在94.98±5.27μmol氧氣，但18小時后H2的產(chǎn)生量顯著增加，并在接下來的72小時內(nèi)穩(wěn)步增加到0.34±0.01μmol/108個細胞(圖3E)。

使用氣相色譜法檢測不同樣品產(chǎn)生的H2量，以檢驗封裝保護催化活性的能力。如圖3F所示，在有氧條件下，過表達氫化酶6小時后，封裝雜交系統(tǒng)的H2產(chǎn)量顯著增加。H2產(chǎn)量穩(wěn)步增加，36小時后達到0.52±0.01μmol/108個細胞。相比之下，未封裝二氧化硅的樣品未檢測到H2的產(chǎn)生，這表明在有氧條件下H2的產(chǎn)生需要封裝。同時，還分析了滅活大腸桿菌細胞或未誘導(dǎo)氫化酶表達的混合樣品產(chǎn)生的H2量。不耐受O2的氫化酶的催化活性從硅化誘導(dǎo)的細胞聚集中獲益最大。

在有氧條件下，我們測量了細胞封裝后添加MV2+的雜交體系的產(chǎn)氫量，以探究還原的MV是否在聚集體中免受O2的影響。如果在細胞封裝后加入MV2+，并在反應(yīng)過程中暴露于有氧條件下，那么雜交體系幾乎不產(chǎn)生氫氣(圖3F)。因此，氫化酶和MV2+在聚合體中都受到了氧氣的保護。

在有氧條件下，我們向反應(yīng)混合物中添加了相同數(shù)量的游離CdS納米粒子，而不是原位生物合成的CdS納米粒子，以確定生物雜交系統(tǒng)中游離CdS納米粒子的光催化活性。含有游離CdS納米粒子的系統(tǒng)產(chǎn)生了0.22±0.02μmol H2/108個細胞，這意味著催化效率低于原位生物合成的CdS納米粒子。

討論

解決全球能源和環(huán)境問題亟需高效的太陽能-化學(xué)轉(zhuǎn)換策略。其中一個重要挑戰(zhàn)是通過探索光合作用的基本化學(xué)原理，開發(fā)簡單實用的光合作用系統(tǒng)，以生產(chǎn)氫氣或其他燃料。在此，我們開發(fā)了一種光催化氫氣生物合成策略，該策略基于一種半導(dǎo)體工程大腸桿菌生物雜交系統(tǒng)，該系統(tǒng)封裝有生物仿生聚合物，可在有氧條件下發(fā)揮作用。與已報道的通過自然代謝途徑誘導(dǎo)納米粒子沉淀的微生物不同，本文應(yīng)用的表面顯示細菌系統(tǒng)促進了模式生物大腸桿菌在溫和條件下可控地生物合成生物兼容的CdS半導(dǎo)體。此外，我們的研究結(jié)果進一步驗證了生物合成CdS半導(dǎo)體的光收集能力。這一策略可應(yīng)用于其他成熟的生物模式，如芽孢桿菌或酵母，以擴大其應(yīng)用范圍。自聚集的大腸桿菌細胞可保護不耐氧酶的活性，確保該酶在空氣中簡單溫和的條件下進行高效的生物全細胞催化。這種基于細菌表面顯示和仿生二氧化硅封裝技術(shù)的生物無機混合系統(tǒng)將有可能成為方便利用太陽能的另一種方法。