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清华毕业生构建人工光电合成系统,设计全新光电合成途径,有望改变生物燃料游戏规则 | 专访

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DeepTech深科技 2021-09-12 21:27

2005 年,New Scientist 杂志评出自然界十个最伟大的生命创造,光合作用名列第五。

作为长期从事生物能源与生物燃料研究的中国学者,美国可再生能源国家实验室资深科学家&课题组长熊伟博士,对光合作用之于生物能源研究的重要意义有着更深刻的体会。

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图 | 熊伟(来源:受访者)

他的团队最近在 Energy & Environmental Science 发表的一篇关于如何改进微生物光合作用的论文《外源电子通过蓝细菌光系统 I 高能效驱动二氧化碳固定》(Exogenous Electricity Flowing through Cyanobacterial Photosystem I Drives CO₂ Valorization with High Energy Efficiency),首次将微生物光合作用和微生物电合成相衔接,实现了二氧化碳的固定。

图 | 相关论文(来源:受访者)

他说:“在物理世界中,光与电是永恒的主角。人类科技的每一次重要推动,都伴随着对光与电本质认知的突破。例如,著名的双缝干涉实验(Double-slit experiment)让人类认识到光子和电子等微观粒子的物理本质,并促进了量子力学的发展。在生命的世界里,光与电也是当仁不让的 C 位。光与电的交互产生了光合作用这一造就现今地球生命系统的底层源动力。”

万物生长靠太阳。作为地球上最主要的能量转换过程,光合作用驱动了二氧化碳的固定和有机物的产生。

然而,它的效率也必然受到生物光反应系统固有属性的支配。目前,天然光合作用的能量效率在高等植物中一般小于 1%。单细胞的藻类或蓝细菌的光合作用效率略高,但也仅为 3% 左右。

如何从根本上提高光合作用的效率,不仅仅是一个单纯的生物学问题,也有助于人类应对能源、粮食、气候变迁等重大课题。

(来源:Energy & Environmental Science)

改造光合电子传递链

自然界中普遍存在的有氧光合作用是从分解水开始的。水分解产生氧气,但区别于电解水,这一生化过程并不产生氢气。氢而是以质子的形式存在,跨膜产生的质子梯度可以驱动三磷酸腺苷(ATP)的生成,为生命活动所用。

同时水分解产生的自由电子可以顺着电子传递链进入光系统的光反应中心,然后分别经由两个光系统的激发,获得足够的势能,进而输送到电子传递链的末端,驱动二氧化碳的还原和有机物的合成。

能否通过改造光电子传递链从而提高光合作用的效率呢?科学家其实已经想到了这一点。前沿研究热点包括:

1.定量工程化两个光反应中心,以匹配电子传递与光子激发;2. 在光系统中安装全新的光合色素分子从而拓展可利用光能的带宽等。

熊伟团队的工作有别于现有研究方向,他们回溯到光合作用的底层逻辑,从光生物学和电化学的交叉领域入手,为如何提高光合作用效率提出了全新的思路。

熊伟团队的设计保留了两个天然光系统中的一个即光系统 I,具有提高光合作用效率的潜在优势。

首先,这一设计采用单个光系统,两个天然光系统之间对光吸收谱段的竞争从而得以解除。

其次,这一设计不再需要水作为光合作用的电子来源,因此氧气也不会经由光解水生成,这样光呼吸作用这一光合作用的竞争途径,就将缺乏氧气作为相应的原料供应。

更重要的是,提供给光合微生物的电子,可以通过光伏太阳能电池产生。光伏太阳能系统和天然光合作用具有互补的太阳能吸收谱段,因此采用人工光合作用和天然光合作用的嵌合体(hybrid),将使得全波段太阳能利用以实现化学品制造这一概念成为可能。

图 | 全波段太阳能利用以实现化学品制造这一概念成为可能(来源:受访者)

为验证这一崭新的设计思路,他和团队制作了一套电化学反应装置,将光系统 II 缺陷的光合蓝细菌固定在该装置的阴极(cathode)上。

期间,他们首次检测到阴极的电信号能够伴随照射到蓝细菌上 LED 光源的开启和关闭而响应。这暗示来自阴极的外源电子可以被注入到蓝细菌的光合电子传递链中。

接下来,他们通过特异的电子传递链抑制剂实验,证实外源电子的注入的确发生在光合电子传递链上。外来电子的注入可精确定位在光系统 II 的下游,入口处可能位于电子传递链上的质体醌 (Plastoquinone,PQ) 。

更进一步,他们证实了外接电源以及随之产生的光电反应可以实现二氧化碳的还原和多种长碳链产物的生成,包括乙酸和氨基酸等。这一结论得到了稳定同位素标记实验、质谱与核磁共振等分析手段的验证。

通过估算,这种光电合成是高效的,以这一全新的方式制备乙酸,总能量转化效率可高达 9%

熊伟告诉 DeepTech,该研究利用光和电这两种能量源驱动二氧化碳固定,在微生物燃料的研究方面这是一次全新的尝试。

论文提交过程中,审稿人也对完成这一工作所采用的技术方法提出了很高的评价。其中一位审稿人认为论文配图描绘的过程非常简洁,但要实现这一过程并不容易,具有挑战性。

研究中,熊伟团队通过工程化方法,首次把微生物的光合电子传递链和外接电源相衔接,实现固碳。

相关应用:藻类生物燃料技术的新途径

整个研究的主要目的是想办法提高光合作用的效率。

基于此,他提出一个生物光电合成的新概念,并通过实验方法证实了这一概念的可行性。

这一概念主要有三大优势

  • 其一,由于只采用一个光系统,因此两个光系统之间对于光吸收的竞争限制就可以被解除,从理论上来讲,它对光的利用也会更充分。

  • 其二,因为它不能进行光合放氧气,所以光呼吸效应也可以在一定程度上得到抑制。

  • 其三,该系统可以把光伏太阳能电池和天然光合作用进行耦联。光伏太阳能电池和天然光合作用可以拥有互补的太阳吸收光谱,这时如果能把两套系统结合起来,将光伏电池产生的电能驱动天然光合作用系统,相当于可以实现对整个太阳能光谱的全谱段利用,那么光合作用效率就有可能大幅提高。

此次研究成果,有可能给藻类生物燃料技术带来重要的突破,假如光合作用效率能进一步大幅提高,藻类燃料商业化的成本就能进一步降低。

攻克光合作用三大局限

熊伟告诉 DeepTech,从知识层面来说,我们知道进行光合作用的蓝细菌可用来发电,但以前没有研究能证明蓝细菌也可利用外加电源来驱动二氧化碳固定和生物合成,该研究第一次证实了这种可能。从解决问题的角度来讲,主要解决了光合作用目前存在的三个比较大的局限。

第一,因为光合作用只能利用一部分的波段,即在整个太阳波谱里它只能利用红光和蓝光波波段的光(介于 400-700nm 区间),对于其他波段的光的利用能力几乎为零。

第二,现有的有氧光合作用主要是靠两个光系统进行,这两个光系统本身的光吸收谱段是相近的,同时存在的话,它之间存在竞争关系,在理论上就会限制光合作用的上限。

第三,有氧光合作用产生氧气,氧气可以作为光呼吸反应的底物,而光呼吸是最主要的二氧化碳固定的竞争途径。该研究针对这三个问题,做出了相应突破。

可以说,熊伟为藻类生物燃料设计并组装了一套全新的光电合成途径。这一途径有望成为生物燃料领域游戏规则的改变者(Game-changer),并且为提高藻类生物炼制的效率、降低生产成本提供有效、可行的实施方案。

熊伟告诉 DeepTech,“也许新的设计理念能为藻类生物技术和光合作用研究开启一扇大门,或是一扇窗。当然,即便打开的只是一条缝,我们也倍感欣慰。因为只要理性的光芒照进来,一条缝也足以窥探整个世界,就像著名的杨氏双缝干涉实验那样。”

在熊伟博士之前的研究中,就藻类生物燃料方面,他们做了很多基因工程和合成生物学的工作,比如在蓝细菌中进行基因改造,把生物燃料的生产途径进行优化设计,然后组装到蓝细菌里面。

以乙烯的合成途径为例,把这些途径整合在蓝细菌中之后,他们又做了系统的优化,并以稳定同位素示踪和代谢建模的方法,精确量化了整个乙烯的代谢途径和流量,这些创新成果,发表在 Nature Plants 上。

而此次研究,是在此前工作基础上的新突破。“这次我们不仅仅聚焦碳代谢途径,”他说,“也关注到了电子传递,通过电子传递链里的一些底层设计,把现有系统和电化学系统进行合理的重组,希望能从更基本的层面解决生物产品合成效率的问题。”熊伟认为微生物光电合成将有望成为生物能源竞技场中的新玩家。

此次研究属于合成生物学和电化学的交叉领域。熊伟表示,合成生物学的要义在于,建立人工生物系统(artificial biosystem),让它们像电路一样精确运行,最终让生物系统实现那些它们本来不具备的功能。

从这种意义上来讲,该研究是合成生物学的一次有益尝试。通过构建出一套新的人工光电合成系统,他希望这一系统能作为一种新的底盘去实现一种嵌合,即一种生物和非生物的杂合体系统(hybrid system),然后实现相应的功能,譬如,二氧化碳的固定和生物燃料的炼制等。

熊伟其人:曾是国内最早开展藻类生物燃料研究的一员

2006 年,熊伟来到清华大学生物系攻读博士学位,导师是吴庆余教授。吴老师主要从事光合微生物技术的研究。读博期间,熊伟第一次接触到微藻生物能源的概念,他的博士课题是研究如何精确量化藻类的代谢途径和流量,以评估它们制备生物燃料的潜力。

吴庆余老师实验室是国内最早开展藻类生物燃料研究的实验室,在那里熊伟积累和储备了相当的知识和科研能力。当时他主要通过稳定同位素标记和代谢分析,去研究藻类在生物燃料、生物柴油生产过程中的碳流量运行。研究过程中还得到了中国科学院上海植物生理研究所杨琛研究员的指点和帮助。

博士毕业以后,在吴老师的推荐下,熊伟来到前者在美国的合作教授亚利桑那州立大学 威姆·维马斯( Wim Vermaas)教授的实验室从事博士后工作。维马斯教授是现任世界光合作用学会的主席。该实验室是世界上最早以蓝细菌这一单细胞光合细菌作为模式生物来研究光合作用的实验室之一。自 20 世纪 70 年代末延续至今,成果斐然,享誉学术界。

2013 年,熊伟获得美国能源部可再生能源国家实验室的 Director’s Fellowship,并成为荣获该奖的首位中国学者。目前他是可再生能源国家实验室的资深科学家和课题组长,他的课题组活跃在微生物合成生物学和代谢工程的前沿领域。

熊伟非常关心国内的科研进展。他课题组的部分中国组员目前正在准备回国事宜或已在国内开展独立研究工作。他认为现在国内条件越来越好,国内科研能力也越来越强,可以为广大海外学人提供更为广阔的发展平台。

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