混合系統的仿生二氧化硅封裝

圖3封裝混合系統在空氣中的光驅動制氫。(A)由仿生聚合物封裝的半導體工程大腸桿菌混合系統中的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)不同放大倍數下封裝細胞聚集體的掃描電鏡圖像。

我們的下一個目標是在有氧條件下生成半導體-大腸桿菌細胞混合系統，以便更方便地應用。一些生物體通過生物仿生礦化形成了特定的礦物結構，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。受這些開創性研究的啟發，我們將這種細胞封裝策略引入了我們的半導體-大腸桿菌混合系統，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聚(二烯丙基二甲基氯化銨)(PDADMAC)和陰離子聚電解質聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)。將表面包被的細胞放入含有50mM硅酸的培養基中，就形成了仿生硅膠包被細胞。根據Tang等人的研究，二氧化硅封裝誘導的細胞聚集會導致一種稱為空間功能分化(SFD)的特殊現象。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造厭氧環境。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部環境，并確認我們封裝的大腸桿菌聚集體的微觀結構特征(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。

空氣中光驅動制氫

圖3(E)在生物雜交系統中連續制氫的測量結果。(F)各種生物雜交系統在有氧條件下產生的氫量測量結果([]表示硅化誘導的聚集)。HydA，[NiFe]氫化酶HyaABCDEF。

最后，我們測量了封裝混合系統在有氧條件下產生的H2量。由于大腸桿菌氫化酶對氧的內在敏感性，我們將[NiFe]氫化酶HyaABCDEF質粒轉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)誘導蛋白質表達。我們對包含大腸桿菌/CdS/氫化酶/MV2+的雜交系統進行了長達96小時的產氫監測，以檢驗其持續產氫的能力。我們在細胞聚集后立即誘導表達表面顯示的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的反應溶液中。雖然系統中存在94.98±5.27μmol氧氣，但18小時后H2的產生量顯著增加，并在接下來的72小時內穩步增加到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，封裝雜交系統的H2產量顯著增加。H2產量穩步增加，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的產生，這表明在有氧條件下H2的產生需要封裝。同時，還分析了滅活大腸桿菌細胞或未誘導氫化酶表達的混合樣品產生的H2量。不耐受O2的氫化酶的催化活性從硅化誘導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+，并在反應過程中暴露于有氧條件下，那么雜交體系幾乎不產生氫氣(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，我們向反應混合物中添加了相同數量的游離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納米粒子的系統產生了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

解決全球能源和環境問題亟需高效的太陽能-化學轉換策略。其中一個重要挑戰是通過探索光合作用的基本化學原理，開發簡單實用的光合作用系統，以生產氫氣或其他燃料。在此，我們開發了一種光催化氫氣生物合成策略，該策略基于一種半導體工程大腸桿菌生物雜交系統，該系統封裝有生物仿生聚合物，可在有氧條件下發揮作用。與已報道的通過自然代謝途徑誘導納米粒子沉淀的微生物不同，本文應用的表面顯示細菌系統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半導體。此外，我們的研究結果進一步驗證了生物合成CdS半導體的光收集能力。這一策略可應用于其他成熟的生物模式，如芽孢桿菌或酵母，以擴大其應用范圍。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的生物無機混合系統將有可能成為方便利用太陽能的另一種方法。