由于能源和環境危機日益加劇，加強對太陽能等清潔能源的有效利用與轉化成為實現人類社會可持續發展的重要發展方向之一。基于此，半人工光合領域應運而生，該體系結合了半導體材料對光能的高效捕獲能力及生物的高選擇催化能力，有效吸收太陽能產生光生電子或還原力以驅動生物體內高附加價值產物的代謝。目前，該體系的構建主要依賴于微生物自身礦化或者內吞作用，實現金屬半導體材料如硫化物的沉積及量子點納米材料的吸收。鑒于重金屬離子的毒性和金屬半導體材料的光腐蝕性，以無機材料/微生物為代表的雜化體系存在環境隱患的同時，負載效率和物質代謝能力也受到重金屬離子毒性的限制。
以碳基材料為代表的有機材料具備較好的生物兼容性，理化性質穩定，但存在光能捕獲效率較低和光生載流子復合快的問題。通過碘的摻雜作用，水熱碳具備了常碳基材料優勢，并擁有良好的全光譜吸收和光生電子遷移能力。此外，碘摻雜水熱碳可由一系列碳水化合物前驅體，如蔗糖、淀粉、稻草和動物糞便等水熱合成且無溫室氣體的排放。這些特性使得碘摻雜水熱碳成為低廉高效的微生物伴生光驅材料。
化能異養微生物大腸桿菌被選為該體系的微生物工廠，一方面由于大腸桿菌成熟的基因操作技術賦予其產物多樣性的特點;另一方面其清晰的代謝通路有助于研究材料微生物界面能量電子遷移的問題，后者是半人工光合領域尚未攻克的難題之一。為克服上述提出的生物礦化和內吞作用對微生物的影響，該研究采用普適便捷的“外掛式”自組裝方式，通過改性微生物表面電荷，使其與帶負電荷的碘摻雜水熱碳通過靜電吸附快速結合，在光照下實現光生電子的有效遷移。該方法突破了納米材料和微生物自身的局限，可根據實驗需求設計不同半導體材料和微生物的高效組合體系。自組裝的[email protected]體系產氫效率相比于純大腸桿菌黑暗發酵體系明顯提高，實現了非光合微生物大腸桿菌在光照下的高效氫能轉化，量子效率高達9.11%，遠高于一般光合微生物(< 3%)。
該研究進一步分析了光生電子遷移路徑以及對大腸桿菌產氫代謝的調控難題。實驗結果表明，碘摻雜水熱碳的光生電子主要通過直接傳遞和NAD+/NADH介導的間接傳遞作用被微生物利用。遷移到微生物體內的光生電子主要通過一種微妙的形式正反饋調節大腸桿菌的甲酸產氫途徑和NADH產氫途徑的底物以提高大腸桿菌的氫能轉化效率。該體系同樣具備了較好的光穩定性和普適性，可應用于不同碳基材料，對大腸桿菌產氫均顯示了不同程度的促進作用。
研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部國家重點研發計劃、中科院深圳先進院、中科院定量工程生物學重點實驗室和深圳合成生物學創新研究院的資助。
圖1.樣品表征。（a）碘摻雜水熱碳透射電鏡；（b）PAH 改性后細胞形貌；（c）碘摻雜水熱碳的x射線衍射和紫外可見光吸收圖譜；（d）、（e）碘摻雜水熱碳和大腸桿菌自組裝體系投射電鏡；（f）不同光電流下碘摻雜水熱碳光電流響應。
圖2.驅動碘摻雜水熱碳和大腸桿菌自組裝體系產氫的機理。
