摘要

通過人工光合系統和生物啟發光合系統將太陽能轉化為化學物質，對幫助解決當前的全球能源和環境問題具有極大的意義。我們開發了一種生物無機混合系統，通過結合光收集半導體、氫化酶催化和整個細菌細胞的自聚集，在有氧條件下進行光催化制氫。我們利用表面-顯示系統在原位生物合成生物相容性硫化鎘納米粒子，誘導原本設計用于生物修復的大腸桿菌細胞通過自我光合成產生氫氣。我們還在工程大腸桿菌細胞中引入了仿生二氧化硅封裝策略，使這一混合系統即使在自然有氧條件下也能連續96小時產生氫氣。這種生物混合催化方法可作為太陽能轉化為化學產品的通用策略。

引言

化石燃料的過度消耗造成了許多嚴重的環境問題，如溫室效應、全球氣候變化、酸雨和臭氧層破壞等，這些問題可能會極大地制約人類的經濟和社會發展。要解決這些全球性問題，利用可再生清潔能源是非?？扇〉摹Ｌ柲苁堑厍蛏献钪匾目稍偕茉矗茈y利用。因此，亟需制定戰略，利用光合作用捕獲太陽能的效率，實現氫氣或其他燃料等化學品的可持續生產。以氫氣生產為例，在過去二十年中，已經開發出幾種創新的無機-生物混合系統，它們結合了光系統I或半導體的光收集能力和氫化酶或金屬催化劑的催化能力。其中，King及其同事利用碲化鎘(CdTe)納米晶體/硫化鎘(CdS)納米棒和從乙酰丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)中提純的[Fe-Fe]氫化酶，開發了一系列高效的生物混合制氫系統。然而，由于這些反應對氧敏感、分離氫化酶的產量低以及貴金屬的高成本，這些生物無機雜化系統光催化產生H2的效率有待進一步提高。

整個細菌細胞已被用作生產H2的生物雜化催化劑，以克服生物無機雜化系統中酶和合成催化劑的局限性。利用這種方法，一些研究小組通過將二氧化鈦(TiO2)半導體與野生型細菌細胞雜交來生產H2。最近，Honda等人報告的一項重大突破表明，表達氫化酶和成熟酶基因的重組大腸桿菌細胞能夠利用TiO2全細胞光催化產生H2。然而，半導體的生物相容性低和氫化酶的不耐氧性限制了這種全細胞系統在實際H2生產中的應用。

研究人員一直在努力優化混合系統，以保護催化活性免受氧應力的影響，從而克服這些限制。值得注意的是，Douglas等人報道了一種用于生產H2的智能自組裝生物分子催化劑，該催化劑利用噬菌體P22外殼蛋白來封裝和保護耐氧的[NiFe]氫化酶。同時，受仿生礦化的啟發，Tang等人開發了一種強大的硅化誘導綠藻系統，用于在有氧條件下可持續地生產光生物H2。受這些開創性研究的啟發，我們建議開發一種理想的全細胞光催化制氫系統，該系統包含以下組成部分：(i)生物兼容的光收集無機半導體，(ii)作為生物催化劑的活性工程大腸桿菌細胞，(iii)保護反應不受氧氣影響的可靠外殼。在此，我們旨在開發工程大腸桿菌細胞，將CdS納米粒子的生物合成能力與表面顯示的重金屬結合蛋白和耐氧型[NiFe]氫化酶的生物催化結合起來。結合整個大腸桿菌細胞的仿生硅封裝，生物無機混合系統實現了有氧條件下的光催化制氫(圖1)。

圖1光驅動空氣制氫的表面顯示生物混合方法。

材料與方法

氫化酶的體內表達

用表達質粒pET28a/HyaABCDEF轉化的大腸桿菌BL21在添加卡那霉素(50微克/毫升)的LB培養基中培養，培養溫度為37℃。當600納米波長處的光密度(OD600)達到0.6時，將培養物轉移到含有95%N2和5%H2氣體的Coy厭氧室(Coy Laboratory Products Inc.)。在厭氧生長期間，培養物在LB培養基(所有v/v均為1:1000)中補充含有1mM IPTG、1mM(NH4)2Fe(SO4)2和1mM NiCl2的無菌溶液。培養物在室溫厭氧條件下攪拌培養12小時。

PbrR蛋白的表面展示和CdS納米粒子的原位合成

OmpA表達質粒的構建和過表達OmpA-PbrR融合蛋白的方法由Zhao等人先前描述。然后，每隔6小時從LB培養基中離心(4000rpm，10分鐘)一次，收獲樣品細胞，并在分析前用100mM NaCl溶液洗滌至少三次。每個樣品中的細胞數量是通過監測OD600確定的。將吸附了CdS的細胞凍干并進行濕灰化。使用ICP-MS對所有樣品進行進一步分析，以測量工程大腸桿菌細胞表面生物合成的CdS納米粒子的數量。誘導12小時后，收獲含有生物合成的CdS納米粒子的大腸桿菌細胞，用于隨后的生物產氫分析，以保持最佳活性。

CdS納米粒子的TEM-EDX分析

所有TEM圖像均使用JEOL JEM-2100電子顯微鏡在200kV的加速偏置電壓下記錄。鎘離子吸附后，將工程電池分散在加倍蒸餾的H2O中。將銅網格上的厚碳膜(20至30nm)浸入溶液中1秒鐘，在大氣條件下烘干，然后用TEM進行檢測。元素分析是通過與顯微鏡相連的EDX系統進行的。

生物沉淀CdS納米粒子的特征

光催化MV2+還原試驗使用帶蓋的10毫米石英比色皿和光源(350瓦Xe燈)進行。通過離心(4000rpm，10分鐘)從LB培養基中收獲含有生物合成的CdS納米粒子的大腸桿菌細胞。反應體系包括石英比色皿中相同數量的不同半導體[TiO2銳鈦礦和合成的游離CdS納米顆粒]和3毫升100mM tris-HCl(pH7)、150mM NaCl、5%甘油、100mM抗壞血酸和5mM MV2+。向溶液中通入N2氣泡30分鐘，以除去O2。光照射啟動反應，離心并從MV緩沖液中分離出大腸桿菌CdS納米粒子后停止反應。離心(1000g，1分鐘)后立即測量吸收光譜。通過監測OD605，使用摩爾轉換系數e=1.3×104M-1cm-1計算所形成的還原MV2+(MV+)的量。還獲得了溶液中大腸桿菌-CdS雜化物的紫外-可見光譜。光激發CdS的導帶能是利用奈氏方程確定的。