王雪云，楊文君，鐘超，高翔

（1 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院，中國(guó)科學(xué)院定量工程生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳518055；2 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院，材料合成生物學(xué)中心，廣東 深圳 518055）

1 光合作用

建立在化石原料煉制基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式正面臨資源與環(huán)境的兩大難題，開(kāi)發(fā)CO2資源化利用的技術(shù)，使用清潔能源，推進(jìn)化石燃料能源系統(tǒng)向綠色能源為主導(dǎo)的能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型已在全球范圍內(nèi)達(dá)成共識(shí)［1-2］。太陽(yáng)能作為最豐富的可再生能源，如何將太陽(yáng)的能量轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可用的能量形態(tài)，以便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸并配送至終端使用者，是研究人員一直追求的目標(biāo)［3］。光伏發(fā)電是目前太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化最成功的技術(shù)，但其缺點(diǎn)是不能連續(xù)工作以及需要長(zhǎng)距離電力傳輸［4］。天然光合作用直接利用光能將水和CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，人工光合作用通過(guò)模擬天然光合作用，人工合成光吸收劑和催化劑，吸收光能并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，可以避免上述光伏發(fā)電的缺點(diǎn)［2，5］。以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的人工光合系統(tǒng)能高效捕獲光能并產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的電子，應(yīng)用于水裂解產(chǎn)氫、CO2還原和氮?dú)夤潭ǖ龋?-7］。人工光合系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)且具有更高光能捕獲效率，可以克服天然光合系統(tǒng)低光電轉(zhuǎn)換效率、僅吸收可見(jiàn)光等缺陷，但天然光合系統(tǒng)具有更高的催化特異性以及更溫和的反應(yīng)條件［8］。因此，近年來(lái)研究人員結(jié)合人工合成光吸收劑和天然生物催化系統(tǒng)（酶或全細(xì)胞催化劑），構(gòu)建材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化應(yīng)用于光能到化學(xué)能的高效、高特異性的轉(zhuǎn)化，這種新技術(shù)也被命名為“半人工光合作用”［3，8］。將電極或納米材料等“人工組分”與“生物組分”創(chuàng)造性結(jié)合，構(gòu)建材料-生物雜化體，可整合自然光合系統(tǒng)和人工光合系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)［9］。材料-生物雜化體通過(guò)材料與酶進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)的、產(chǎn)物選擇性高的簡(jiǎn)單催化反應(yīng)；與微生物進(jìn)行復(fù)合，結(jié)合近年來(lái)快速發(fā)展的合成生物學(xué)技術(shù)改造微生物底盤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)光能驅(qū)動(dòng)合成代謝途徑，特異性生產(chǎn)多種高附加值的化合物。因此基于材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化，可潛在提高太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物的選擇性，是單一生物組分或人工組分無(wú)法完成的。目前，該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，主要集中于開(kāi)發(fā)新的雜化體，研究光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程和機(jī)制。Erwin Reisner、Yang Peidong和Paul W.King等在材料-生物雜化體系或半人工光合作用領(lǐng)域已發(fā)表多篇相關(guān)綜述［3，8-12］，鄒志剛院士團(tuán)隊(duì)［13］在2019年發(fā)表一篇極具代表性的中文綜述。本文主要從材料-生物雜化體的構(gòu)建方式及其在光驅(qū)生物催化方向的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，探討當(dāng)前該領(lǐng)域發(fā)展的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，為國(guó)內(nèi)的研究人員提供參考。

1.1 天然光合作用

天然光合作用是指植物、藍(lán)細(xì)菌和微藻等光合自養(yǎng)生物通過(guò)利用光能、水和CO2來(lái)合成生物質(zhì)，同時(shí)釋放氧氣。光合作用主要分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段。光反應(yīng)中心在類囊體膜上，主要包括光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）和光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）、細(xì)胞色素b6f（cyt b6f）、質(zhì)體醌池（PQ）、質(zhì)體藍(lán)素（PC）、鐵氧還蛋白（Fd）、鐵氧還蛋白-NADP+還原酶（FNR）和三磷酸腺苷合酶（ATPase）［圖1（a）］。PSⅡ和PSⅠ中的反應(yīng)中心色素分別稱為P680 和P700，兩個(gè)光系統(tǒng)通過(guò)“Z圖式”串聯(lián)系統(tǒng)協(xié)同工作，由PSⅡ的天線復(fù)合體捕獲光子以激發(fā)電子，驅(qū)動(dòng)光解水并產(chǎn)生氧氣；激發(fā)電子經(jīng)過(guò)PQ、Cyt b6f、PC 傳遞給光PSI，傳送過(guò)來(lái)的電子被二次激發(fā)，并最終被輸送到FNR，并將氧化型的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）還原為NADPH。同時(shí)，水的氧化和電子傳遞的過(guò)程將質(zhì)子從類囊體外轉(zhuǎn)移至膜內(nèi)，建立類囊體膜內(nèi)外質(zhì)子梯度，并以此驅(qū)動(dòng)ATPase 合成ATP。該過(guò)程電荷分離的量子效率幾乎可達(dá)100%［14］。暗反應(yīng)是指自養(yǎng)生物通過(guò)卡爾文循環(huán)（Calvin-Benson-Bassham cycle，CBB 循環(huán)）利用光反應(yīng)合成的NADPH 和ATP，固定CO2合成有機(jī)物［圖1（a）］。然而天然光系統(tǒng)極高的電荷分離量子效率，并沒(méi)有建立高效的光能到生物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。因?yàn)樽匀还夂献饔檬怯啥鄠€(gè)酶共同參與的多種代謝途徑的綜合表現(xiàn)，而自養(yǎng)生物優(yōu)先進(jìn)行生長(zhǎng)而不是進(jìn)行高能代謝物的合成。

圖1 天然光合作用和人工光合作用（a）天然光合作用的電子和能量傳遞示意圖，天然光合作用分為光反應(yīng)（下）和暗反應(yīng)（上）：光反應(yīng)通過(guò)吸收光能并將能量?jī)?chǔ)存在NADPH 和ATP 中；暗反應(yīng)的CBB 循環(huán)利用NADPH 和ATP 驅(qū)動(dòng)CO2固定，合成生物質(zhì)和多碳化合物［3，10，15-16］人工光合作用系統(tǒng)包含半導(dǎo)體材料體系和電極體系。（b）利用半導(dǎo)體材料分解水時(shí)，材料吸收光能產(chǎn)生電荷分離，e?從價(jià)帶（V.B.）躍遷到導(dǎo)帶（C.B.），在V.B.上留下空穴（h+），水為還原劑消耗h+并釋放O2，導(dǎo)帶上e?將H+還原成H2［6］。（c）光陽(yáng)極材料氧化水生成O2并提供e?，并傳遞到光陰極端，還原H+成H2［3］Fig.1 Diagram for natural photosynthesis and artificial photosynthesis(a) Schematic diagram of natural photosynthesis with light reaction (lower) and dark reaction (upper).Photoreaction uses light energy to generate NADPH and ATP,and in the dark reaction,NADPH and ATP are used to drive CO2 fixation through the CBB cycle.(b)The artificial photosynthesis composed of a semiconductor material system and an electrode system [3,10-12].The semiconductor material absorbs light and generates electron (e?),e?transitions from the valence band (V.B.)to the conduction band(C.B.)to reduces H+to H2[6].The holes(h+)left on V.B.are consumed using water as reducing agent and O2 is released.(c)The photoanode material oxidizes water to generate O2 and provide e?, and the electron is transferred to the photocathode for reducing H+to H2[3]

1.2 提高天然光合作用效率的策略

天然光合作用效率低主要有幾個(gè)原因：①光系統(tǒng)只能吸收可見(jiàn)光（λ=400～700 nm），且對(duì)綠光（λ=500～600 nm）的吸收弱；②光保護(hù)機(jī)制等降低對(duì)光能捕獲效率；③光能傳遞和利用效率低；④CBB 循環(huán)固碳效率低。因此，天然光合作用中光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率通常低于1%，在最優(yōu)的條件下可達(dá)7%［17-18］。針對(duì)上述光合效率低的主要因素，研究人員通過(guò)最近快速發(fā)展的合成生物學(xué)策略和技術(shù)優(yōu)化天然光合系統(tǒng)，提高光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率。

首先，對(duì)光反應(yīng)的光能捕集和轉(zhuǎn)化進(jìn)行優(yōu)化，提高光能的利用效率。拓寬光合生物吸收光譜可以為固碳途徑提供更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力。悉尼大學(xué)Chen Min團(tuán)隊(duì)和賓夕法尼亞州立大學(xué)Roberta Croce團(tuán)隊(duì)先后發(fā)現(xiàn)可以吸收紅外光的新型葉綠素d 和f，它們可以吸收700～750 nm 的紅外光［19-20］，并且證實(shí)通過(guò)在聚球藻7002中表達(dá)葉綠素f使其吸收原來(lái)不能利用的紅外光［21］。在自然光照條件下，植物冠層或高光照的光生物反應(yīng)器中，表層細(xì)胞過(guò)多捕獲光子致使表層細(xì)胞開(kāi)啟光保護(hù)機(jī)制，同時(shí)阻礙光向下層穿透，導(dǎo)致上層能量浪費(fèi)，而下層卻缺少光子，不利于光能的有效利用［22］。研究人員針對(duì)性地遺傳改造光合生物，加速關(guān)閉植物光保護(hù)過(guò)程［23］和光系統(tǒng)的修復(fù)機(jī)制［24］，從而提高植物光合作用效率；或者，表達(dá)截短的捕光天線復(fù)合體或下調(diào)捕光天線復(fù)合體表達(dá)提高綠藻光合作用效率［25］。在光合作用中，光反應(yīng)生產(chǎn)ATP和NADPH的比率是1.28∶1，而CBB 循環(huán)中ATP 和NADPH利用的比率是1.5∶1，因此光合作用中光反應(yīng)和暗反應(yīng)之間的能量和還原力消耗不平衡［26］。光合電子傳遞鏈循環(huán)電子流可以提供更多的ATP，神戶大學(xué)Tomohisa Hasunuma 團(tuán)隊(duì)［27］在集胞藻PCC6803中過(guò)表達(dá)NADPH 氧化還原酶，強(qiáng)化循環(huán)電子流，增加胞內(nèi)ATP 供應(yīng)，最終提高工程菌的生長(zhǎng)速率和生物量；另外，通過(guò)向藍(lán)細(xì)菌表達(dá)視紫紅質(zhì)蛋白，可以在工程菌中形成額外的跨膜梯度，從而提高ATP 的供應(yīng)［28］，但由于該蛋白表達(dá)對(duì)工程菌造成嚴(yán)重的代謝負(fù)擔(dān)，工程菌生長(zhǎng)速率并未提高，需要后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化。

其次，對(duì)固碳途徑進(jìn)行優(yōu)化，提高CO2固定的效率。CBB 循環(huán)中固碳酶核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，RuBisCO）［29］，其可以分別與CO2和O2發(fā)生羧化和加氧反應(yīng)。但在自然環(huán)境中，CO2濃度僅為0.04%，遠(yuǎn)低于O2的濃度（21%），藍(lán)細(xì)菌進(jìn)化出一套CO2的濃縮機(jī)制，進(jìn)入細(xì)胞的碳酸鹽可以選擇性進(jìn)入羧化體，RuBisCO 在羧化體發(fā)生固碳反應(yīng)。Kamennaya 等［30］通過(guò)強(qiáng)化碳酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)，使工程菌在空氣環(huán)境中生長(zhǎng)速率提高1倍。優(yōu)化CBB循環(huán)中關(guān)鍵酶表達(dá)量和活性，是提高固碳效率的重要策略，研究人員通過(guò)優(yōu)化RuBisCO、景天庚酮糖-1，7-二磷酸酶（SBPase）、果糖二磷酸酶（FBPase）、果糖二磷酸醛縮酶（FBA）和轉(zhuǎn)酮酶（TKT）等［31-36］，將光合生物的生物量提高約20%～45%［29］。此外，引入新的固碳酶或固碳途徑也將提高光合固碳效率。江南大學(xué)劉立明團(tuán)隊(duì)和微生物所李寅團(tuán)隊(duì)［37］，通過(guò)將磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）與蘋果酸脫氫酶（MDH）在聚球藻7942 中共表達(dá)，工程菌ATP 的供應(yīng)顯著增加，CO2固定速率提高110%。近年來(lái)，隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，研究人員設(shè)計(jì)和組裝了人工固定CO2的途徑［38］。馬普陸地微生物所Tobias J.Erb 研究團(tuán)隊(duì)在2016 年利用體外多酶體系設(shè)計(jì)和驗(yàn)證一個(gè)新的CO2固定途徑，由17 個(gè)酶組成的巴豆酰CoA/乙基丙二酰CoA/羥基丁酰CoA（crotonylCoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA，CETCH）循環(huán)，固碳效率經(jīng)過(guò)優(yōu)化可達(dá)5 nmol/（min·mg蛋白），該途徑的固碳效率超過(guò)天然固碳途徑的5 倍［39］，2020 年該團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)與微流控技術(shù)結(jié)合，通過(guò)類囊體膜和CETCH 途徑的酶包裹在微液滴中，制備了人工葉綠體，能直接利用光能固定CO2合成乙醛酸，但該人工葉綠體僅在2 h內(nèi)有活性［40］。

上述通過(guò)生物法提高光合作用效率的策略，其受限于天然光合系統(tǒng)的固有特性，很難進(jìn)一步提升，特別是提高光能捕獲的效率，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，PSⅠ和PSⅡ最大吸收波段重合，存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；第二，新型葉綠素d 和f 吸收的最大波長(zhǎng)為750 nm，僅能利用極少量的紅外光［19］；第三，生物法需要對(duì)光合生物進(jìn)行遺傳改造，遺傳改造周期長(zhǎng)且需要對(duì)不同的光合生物分別進(jìn)行改造，考慮到相當(dāng)部分的光合生物缺少遺傳操作方法，僅通過(guò)生物來(lái)提高依然有很大的局限性［41］。

1.3 人工光合作用

人工光合作用的設(shè)想由Ciamician 在1912 年提出［42］，其通過(guò)模擬天然光合作用，利用半導(dǎo)體材料作為光催化劑捕獲光能，發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生電子和空穴對(duì)來(lái)驅(qū)動(dòng)光還原反應(yīng)：還原CO2，合成H2和固氮反應(yīng)［圖1（b）、（c）］［43］。近年來(lái)，研究人員通過(guò)半導(dǎo)體摻雜和引入異質(zhì)結(jié)等方法，提高電荷分離和電子傳輸效率。相比于天然光合作用，人工光合作用具有如下顯著特點(diǎn)：①半導(dǎo)體材料捕獲光能的效率高，光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)20%；②構(gòu)筑過(guò)程簡(jiǎn)單可控，易于通過(guò)模塊化方式進(jìn)行優(yōu)化；③依賴于高純度半導(dǎo)體材料，而這些半導(dǎo)體材料在溶液中容易被分解和腐蝕，且無(wú)法自主修復(fù)，其規(guī)模化使用面臨巨大挑戰(zhàn)；④CO2還原反應(yīng)的選擇性差，產(chǎn)物多為混合物，且多為低值一碳產(chǎn)物（甲烷、甲酸等）。因此，人工光合系統(tǒng)在特異性合成高能量密度、高附加值的多碳化合物方面先天不足［6］。

2 基于生物光吸收劑的雜化體

上文提到，PSⅠ和PSⅡ可以捕獲光能，發(fā)生電荷分離，并傳遞電子。通過(guò)分離純化獲取的離體PSⅠ和PSⅡ，或直接利用藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞與材料或者電極復(fù)合，構(gòu)建的雜化體實(shí)現(xiàn)光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存（圖2）。

PSⅠ含有大量的葉綠素和類胡蘿卜素作為天線分子高效捕獲光能，激發(fā)電子（量子效率接近100%），通過(guò)電子傳遞鏈將能量?jī)?chǔ)存在NAD（P）H和Fd 中，驅(qū)動(dòng)胞內(nèi)代謝途徑生產(chǎn)多種復(fù)雜產(chǎn)物［49］。因此，PSⅠ能驅(qū)動(dòng)光能向化學(xué)能轉(zhuǎn)化，是一個(gè)理想的構(gòu)建雜化體的生物光吸收劑。目前，基于PSⅠ雜化體的研究主要集中在光催化產(chǎn)氫。為提高光系統(tǒng)產(chǎn)生的電子傳遞到材料的效率，Grimme等［44］在金或鉑納米顆粒（Au NPs、Pt NPs）表面修飾1，6-己二硫醇，將PSⅠ與Au NPs 或Pt NPs 共價(jià)交聯(lián)構(gòu)建雜化體［圖2（a）］。PSⅠ激發(fā)的電子通過(guò)短鏈的硫醇傳遞到納米顆粒，催化H+還原產(chǎn)生H2。在該雜化體中添加有效電子供體細(xì)胞色素c6（PSⅠ的天然電子供體），可進(jìn)一步將H2合成速率提高5 倍，證明硫醇作為“分子導(dǎo)線”連接，有效提高電子從PSⅠ傳遞到納米催化劑的效率。光激發(fā)的電子在生物組分和材料組分之間的界面?zhèn)鬏斠恢笔请s化體研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在天然光系統(tǒng)中，F(xiàn)d 和黃素氧還蛋白結(jié)合在PSⅠ的基質(zhì)“口袋”中，Utschig 等［50］通過(guò)模擬蛋白相互作用，將巰基琥珀酸修飾的鉑納米顆粒通過(guò)靜電自組裝的方式結(jié)合在PSⅠ的口袋中，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)H2合成速率與通過(guò)分子導(dǎo)線連接相同。研究人員進(jìn)一步通過(guò)電子順磁共振光譜分析，表明Pt NPs 模擬黃素氧還原蛋白的結(jié)合，使得電子通過(guò)PSⅠ的流量增強(qiáng)，該系統(tǒng)是第1個(gè)通過(guò)光譜分析電子轉(zhuǎn)移的雜化體系。由于電極具有更好的還原電位的可調(diào)性和更易進(jìn)行表面修飾，近年來(lái)，逐漸構(gòu)建PSⅠ與電極的雜化體，實(shí)現(xiàn)在光照的條件下產(chǎn)生光電流和H2［51-52］。但PSⅠ構(gòu)建的雜化體，均需要額外的電子供體。PSⅡ是自然界中唯一能夠催化水氧化的酶，所以基于PSⅡ構(gòu)建的雜化體可以直接利用水作為電子供體［圖2（b）～（d）］，該功能也使PSⅡ成為研究水氧化反應(yīng)的理想模型。但由于PSⅡ反應(yīng)中心為一個(gè)超大的多蛋白復(fù)合體，只有在膜上表達(dá)才有活性，因此構(gòu)建具有功能的PSⅡ雜化體需要將納米材料整合在膜上，極具挑戰(zhàn)［53］。Wang 等［45］分離包含PSⅡ的膜結(jié)構(gòu)后與納米材料Ru/SrTiO3：Rh復(fù)合，通過(guò)醌-鐵氰化物作為人工電子傳遞鏈，將PSⅡ在可見(jiàn)光下分解水產(chǎn)生的電子傳遞到Ru/SrTiO3：Rh上產(chǎn)生H2［圖2（b）］。Utschig 等［54］通過(guò)模擬自然光合作用光反應(yīng)的Z型機(jī)制，將Pt納米材料通過(guò)靜電自組裝結(jié)合到PSⅠ位于基質(zhì)側(cè)的末端，PSⅡ在可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)下裂解水產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移至PSⅠ，最終到達(dá)納米材料并驅(qū)動(dòng)H+還原生產(chǎn)H2。與PSⅠ相似，構(gòu)建的PSⅡ-電極雜化體的操作性更強(qiáng)，以ErwinReisner 為代表的課題組在該領(lǐng)域作出了重要貢獻(xiàn)［47］。他們將藍(lán)細(xì)菌或菠菜來(lái)源的PSⅡ固定在電極上，產(chǎn)生的最大光電流已經(jīng)超過(guò)900μA/cm2［46］。在此基礎(chǔ)上將氫酶固定在陰極，PSⅡ修飾的陽(yáng)極在光照條件光解水產(chǎn)生的電子，在外加電場(chǎng)偏壓下，電子通過(guò)導(dǎo)線由陽(yáng)極傳遞至陰極上的氫酶，催化質(zhì)子還原成H2。在上述電子傳遞的過(guò)程中，PSⅡ吸光產(chǎn)生的光激發(fā)電子，其還原電位約?0.6 V，并直接傳遞給PQ，其還原電位降至約0 V，而氫酶Fe-S簇的還原電位約為?0.4 V，因此需要外加電場(chǎng)克服0.4 V 的電位差［圖2（c）］。天然光系統(tǒng)中，PSⅡ通過(guò)偶聯(lián)PSⅠ再次吸收光能產(chǎn)生還原電位更強(qiáng)的電子，通過(guò)模擬天然光系統(tǒng)，研究人員向PSⅡ修飾的光陽(yáng)極中引入第二光吸收劑：CdS、PbS 或有機(jī)分子染料二酮吡咯并吡咯（PPy）［47］，例如，李燦院士團(tuán)隊(duì)構(gòu)建CdS-PSⅡ的雜化體，可以在無(wú)外加電場(chǎng)的條件實(shí)現(xiàn)光能到H2的轉(zhuǎn)化，其效率為0.34%［48］［圖2（c）、（d）］。

圖2 基于生物光吸收劑的雜化體示意圖H2ase-氫酶；FDHase-甲酸脫氫酶（a） PSⅠ作為光敏劑，吸收光能后發(fā)生電子-空穴分離，導(dǎo)帶上e?轉(zhuǎn)移給非生物催化劑，最終還原H+成H2［44］；（b） PSⅡ和Ru/SrTiO3：Rh構(gòu)建Z型方式傳遞，PSⅡ?qū)霞ぐl(fā)的光電子傳遞到Ru/SrTiO3：Rh，經(jīng)過(guò)二次激發(fā)產(chǎn)生電勢(shì)較高的電子，用于還原H+成H2［45］；（c） PSⅡ和DPP 染料構(gòu)建Z 型電子傳遞鏈，與H2ase 或FDHase 構(gòu)建半導(dǎo)體-酶雜化體［46］；DPP 染料C.B.的光生電子參與酶催化反應(yīng)將H+還原為H2或?qū)O2固定為甲酸鹽；（d）在PSⅡ和H2ase/FDHase酶構(gòu)成的對(duì)電極中，PSⅡ作為陽(yáng)極光解水提供電子，陰極的酶則利用電子進(jìn)行還原反應(yīng)［3，47-48］Fig.2 Diagram for biological photosensitizer-material hybrids(a)PSⅠphotosensitizer harvests light and generates e?,which is then transferred to non-biological catalyst for reducing H+to H2[44].(b)PSⅡand Ru/SrTiO3:Rh form a Z-scheme structure.Photoelectrons from PSⅡneutralize h+ on V.B.of Ru/SrTiO3:Rh, leaving electrons with higher reduction potential on C.B.of Ru/SrTiO3:Rh to reduce H+ to H2[45].(c) PSⅡand DPP dye form a Z-scheme electron transfer structure, and together with formate dehydrogenase (H2ase) or formate dehydrogenase (FDHase) to build semiconductor-enzyme hybrid.Electrons on C.B.of DPP dye participate in catalytic reaction of enzyme to reduce H+ to H2 or fix carbon dioxide into formate[46].(d) PSⅡacts as photoanode to catalyze water splitting to provide electrons,and enzyme at photocathode uses the electrons to drive reduction reaction[3,47-48]

PSⅠ和PSⅡ構(gòu)建的雜化體目前已成功實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)的全水分解，生產(chǎn)H2和甲酸。但是，光系統(tǒng)分離過(guò)程煩瑣，穩(wěn)定性差［15］，因此基于離體的光系統(tǒng)構(gòu)建的雜化體系統(tǒng)更適合研究生物-材料界面電子傳遞機(jī)制，而不適合實(shí)際應(yīng)用。Erwin Reisner系統(tǒng)地比較了離體PSⅡ和藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞與電極結(jié)合之后的光電化學(xué)性質(zhì)［55］，發(fā)現(xiàn)離體PSⅡ蛋白修飾的光陽(yáng)極產(chǎn)生的光電流（185μA/cm2）比藍(lán)細(xì)菌生物被膜修飾的光陽(yáng)極高10 倍（14.7 μA/cm2），但是離體PSⅡ穩(wěn)定性非常差，僅在分離后的前6 h 產(chǎn)生光電流，而生物膜修飾光陽(yáng)極電流可以持續(xù)5 d 以上。因此，基于藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞與電極構(gòu)建的雜化體具有更高的穩(wěn)定性、持久性且更具操作性。但是，藍(lán)細(xì)菌胞內(nèi)PSⅡ產(chǎn)生的電子，需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的電子傳遞鏈并傳遞給多個(gè)電子受體，才能應(yīng)用于胞內(nèi)的合成代謝反應(yīng)（合成生物質(zhì)和胞內(nèi)代謝物），而目前構(gòu)建的雜化體系統(tǒng)僅能將少量的光激發(fā)電子有效引導(dǎo)到電極上產(chǎn)生光電流。因此，需要研究藍(lán)細(xì)菌生物被膜與電極界面的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制并優(yōu)化電子傳遞，提高藍(lán)細(xì)菌光合作用的效率，只有將基于藍(lán)細(xì)菌雜化體的光電流至少提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)之后，才有可能具有商業(yè)應(yīng)用的潛力［56］。

3 基于材料光吸收劑的雜化體

通過(guò)模擬生物光吸收劑，開(kāi)發(fā)基于材料光吸收劑的雜化體，利用材料吸收光能為生物組分提供能量，提高雜化體的性能。這里材料光吸收劑主要包括：分子染料、高分子、半導(dǎo)體和光響應(yīng)電極等［57］［圖3（a）］，另外還包括具有光敏活性的蛋白（不在本綜述中討論）。材料通過(guò)吸收光子產(chǎn)生激發(fā)電子傳遞給生物催化劑，電子的還原電位由材料的能帶位置決定，因此針對(duì)特定的生物還原反應(yīng)可以選擇最合適的材料吸光劑，以驅(qū)動(dòng)生物催化反應(yīng)合成還原性的產(chǎn)物［58］?；陔s化體系中生物組分，本文將使用材料吸光劑的雜化體分為兩類：材料-酶雜化體和材料-微生物雜化體，并分別總結(jié)兩個(gè)雜化體系近年來(lái)的研究進(jìn)展。

3.1 材料-酶雜化體

材料吸收光能產(chǎn)生的高能電子可以通過(guò)直接或間接的方式傳遞給酶［圖3（b）］，而對(duì)應(yīng)的空穴需要電子供體來(lái)消耗，從而維持材料光吸收劑誘導(dǎo)光生電子的能力。常用的電子供體主要包括：抗壞血酸（AA）、三乙醇胺（TEOA）、水和乙二胺四乙酸（EDTA）等［圖3（c）］。這里直接電子傳遞是指光激發(fā)的電子可以直接傳遞到酶分子的活性中心輔基，例如：血紅素（Heme）、黃素（Flavins）、和鐵硫簇［Fe-S］等［57］；而間接電子傳遞是指光激發(fā)電子需要通過(guò)氧化還原介質(zhì)傳遞到相應(yīng)的酶［57］。圖3 列舉了在光驅(qū)動(dòng)的雜化體中常見(jiàn)的光吸收劑、酶催化劑、電子供體和氧化還原介質(zhì)。

圖3 材料-酶雜化體中的主要組成部分（a）常用光吸收劑主要分為蛋白質(zhì)光敏劑，染料/高分子為主的有機(jī)光敏劑和半導(dǎo)體材料［57］；（b）用于構(gòu)建的材料-酶雜化體中常用的酶［3］；（c）主要電子供體的結(jié)構(gòu)式，電子供體用于在催化體系中中和空穴，提供電子，使反應(yīng)順利連續(xù)進(jìn)行［57］；（d）氧化還原介質(zhì)的結(jié)構(gòu)式，其中［Cp*Rh（bpy）H2O］2+和NAD（P）H是使用最廣泛的介質(zhì)［57］；PSP-光敏蛋白質(zhì)［59］Fig.3 Diagram for components in materials-enzymes hybrid systems(a) Major photosensitizers including proteins, organic photosensitizers and semiconductor materials[57].(b) Representative enzymes used in the material-enzyme hybrids[3].(c) Major electron donors[57].(d) Redox mediators.[Cp*Rh(bpy)H2O]2+ and NAD(P)H are the most widely used mediators[57].PSP-Photo-sensitive protein[59]

3.1.1 直接電子傳遞驅(qū)動(dòng)酶催化反應(yīng)

一部分催化還原反應(yīng)的酶，其活性中心包含能直接接受電子的輔基，如含有［Fe-S］的氫酶和一氧化碳脫氫酶、含有Heme細(xì)胞色素P450、含有Flavins 的老黃酶和延胡索酸還原酶。將材料吸光劑與相應(yīng)的酶結(jié)合，在酶與光吸收劑接觸位點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的能級(jí)結(jié)構(gòu)，使光激發(fā)的電子有效傳遞到酶上參與氧化還原反應(yīng)，而不依賴于輔酶等氧化還原介質(zhì)［圖4（a）］［60］。

圖4 材料-生物雜化體示意圖［在基于半導(dǎo)體或電極構(gòu)筑的材料-酶雜化體系中，電子的轉(zhuǎn)移方式分為直接電子轉(zhuǎn)移（a）和間接電子轉(zhuǎn)移（b）［3，57］；在材料-微生物雜化體（c）中，材料可以分布在細(xì)胞外，細(xì)胞膜上和細(xì)胞內(nèi)部，材料產(chǎn)生的光電子會(huì)進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)，為胞內(nèi)代謝途徑提供能量［3］；電極-細(xì)菌雜化體（d）分為游離系統(tǒng)和固定化系統(tǒng)［3，9，61］］Fig.4 Diagram for materials biohybrid systems[In semiconductor/electrode-enzyme hybrid systems, there are two electron transfer routes: direct (a) and indirect electron transfer (b)[3,57]; In semiconductor-microbial hybrid systems (c), the nanoparticles are distributed at different sites of the cell, including extracellular, surface and intracellular[3];Electrode-bacteria hybrids(d)include free and immobilized cell systems[3,9,61]]

材料-酶的雜化體中，目前研究最廣泛的酶是氫酶，根據(jù)活性位點(diǎn)鐵基金屬離子族的種類可以將氫酶分為不同的類型（例如［FeFe］氫酶、［NiFe］氫酶、［NiFeSe］氫酶）。通過(guò)納米材料-氫酶偶聯(lián)，光生電子經(jīng)過(guò)［Fe-S］到達(dá)酶的活性中心，催化質(zhì)子還原成H2。目前已有多種納米材料與氫酶成功構(gòu) 建 了 雜化體，包括CdS［62］、CdTe［63］、碳點(diǎn)［64］、TiO2［65-66］等。Brown 等［62］通過(guò)在CdS 表面修飾3-巰基丙酸，使其表面帶負(fù)電，通過(guò)靜電自組裝將帶正電的［Fe-Fe］氫酶連接到材料表面，在無(wú)氧、405 nm的光照條件下，氫酶的轉(zhuǎn)換數(shù)106h?1，量子效率達(dá)到20%。盡管［FeFe］氫酶的產(chǎn)氫活性較高，但對(duì)O2極其敏感，微量的O2會(huì)導(dǎo)致酶不可逆的失活［67］。［NiFeSe］氫酶對(duì)O2具有較好耐受性，可以實(shí)現(xiàn)在空氣條件下產(chǎn)H2。Reisner等［67］將光吸收劑Ru修飾的TiO2與桿狀脫硫微菌（D.baculatum）來(lái)源的［NiFeSe］氫酶復(fù)合，將Ru 與氫酶同時(shí)固定在TiO2的表面，縮短Ru在光照的條件下產(chǎn)生的電子傳遞到氫酶活性中心的距離，最終可以實(shí)現(xiàn)空氣環(huán)境中、可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)氫，轉(zhuǎn)化數(shù)達(dá)1×105h?1。另外，Reisner 等［68］報(bào)道通過(guò)有機(jī)染料曙紅Y（EY）與［NiFeSe］氫酶復(fù)合，該雜化體在無(wú)氧的條件下，EY 吸光產(chǎn)生的激發(fā)電子直接傳遞到氫酶活性中心，生產(chǎn)H2的轉(zhuǎn)換數(shù)為5×104h?1，同時(shí)證實(shí)該雜化體在空氣中也具有活性。

除了氫酶之外，直接電子傳遞介導(dǎo)的材料-酶的雜化體還應(yīng)用于CO2還原，氮?dú)夤潭ê蚉450 等催化的氧化還原反應(yīng)。Armstrong 等基于吸附了光敏劑Ru-吡啶的TiO2NPs（RuP-TiO2NPs）和具有活性中心的一氧化碳脫氫酶（［NiFe］CODH），構(gòu)建了酶光耦合催化系統(tǒng)將CO2還原成CO［69］。RuP 吸收可見(jiàn)光，激發(fā)態(tài)電子被注入TiO2的導(dǎo)帶，進(jìn)一步通過(guò)D-簇進(jìn)入［NiFe］CODH，經(jīng)過(guò)［Ni4Fe-4S］簇到達(dá)酶的活性中心參與CO2還原。RuP 上的空穴注入價(jià)帶后與犧牲劑（如MES、EDTA等）提供的電子結(jié)合，重新回到基態(tài)。Erwin Reisner 等［61］將來(lái)自Desulfovibrio Hildenborough（DvH）的甲酸脫氫酶結(jié)合在RuP-TiO2NPs 金屬氧化物電極上，在可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)下光敏劑提供電子，通過(guò)酶-金屬氧化物界面的直接（無(wú)擴(kuò)散介體）電子轉(zhuǎn)移，將CO2還原為甲酸鹽。Brown 等［7］構(gòu)建CdS 與MoFe 固氮酶的雜化體系，首次實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)N2固定合成NH3的重大突破，其固氮速率為生物固氮的64%。上述采用直接電子傳遞方式的材料-酶雜化體體系簡(jiǎn)單，酶的活性和穩(wěn)定性較高。

3.1.2 間接電子傳遞驅(qū)動(dòng)的酶催化反應(yīng)

酶的性能與結(jié)構(gòu)有關(guān)，并非所有酶都能直接接受電子，自然界中很多酶利用電子進(jìn)行催化反應(yīng)需要經(jīng)過(guò)中間轉(zhuǎn)移過(guò)程。在自然光合作用的光反應(yīng)中，葉綠素吸收一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子，高能電子沿電子傳遞鏈傳遞，并最終還原Fd。Fd 作為電子轉(zhuǎn)移介體，與FNR 反應(yīng)，再生具有酶活性的NADPH。葉綠素通過(guò)從水的光解過(guò)程中重新獲得電子［70］，并釋放O2。

與自然光合作用類似，材料-酶雜化體系使用的多種不同功能的酶，例如與CO2還原相關(guān)的酶，需要通過(guò)氧化還原介質(zhì)［M，也稱為電子傳遞介質(zhì)，如甲基紫精（MV2+）、NAD（P）H 等］來(lái)介導(dǎo)電子的傳遞，才能實(shí)現(xiàn)催化作用。如圖4（b）所示，在電子產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，半導(dǎo)體光吸收劑為體系提供電子，M 則為該反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子，最終推動(dòng)酶催化反應(yīng)循序進(jìn)行。其中輔因子NADH 具有立體特異性和區(qū)域特異性，是酶催化系統(tǒng)中常用的和關(guān)鍵的犧牲劑，能在溫和條件下促進(jìn)質(zhì)子和電子傳遞到酶活性中心。多個(gè)材料-酶光催化固碳系統(tǒng)，依賴NADH 輔酶來(lái)推動(dòng)酶的氧化還原反應(yīng)，因此提高輔酶的再生效率和穩(wěn)定性在間接電子傳遞驅(qū)動(dòng)酶催化反應(yīng)中至關(guān)重要。青島科技大學(xué)劉健團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿生硅藻細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)合成石墨基氮化碳（g-C3N4），光生電子在電子傳遞介質(zhì)五甲基環(huán)戊二烯銠聯(lián)吡啶（［Cp*Rh（bpy）H2O］2+）的協(xié)助下，催化NAD+還原再生NADH，NADH 在反應(yīng)2 h 后再生效率高達(dá)100%，而無(wú)電子傳遞介質(zhì)時(shí)，再生效率僅為50%［71］。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種仿生二維單原子光催化劑，設(shè)計(jì)合成了Co 單原子負(fù)載的C3N4納米片催化劑（Co1/C3N4），實(shí)現(xiàn)原位再生NADH 驅(qū)動(dòng)氧化脫氫酶將苯甲醛還原成苯甲醇，轉(zhuǎn)化效率達(dá)100%［72］。

盡管材料-酶雜化體在光驅(qū)動(dòng)酶催化研究中取得重要研究進(jìn)展，但該系統(tǒng)依然面臨兩大主要問(wèn)題：①光吸收劑以及光生空穴對(duì)酶的抑制，即吸光材料與酶分子的相容性；②電子在光吸收劑和酶之間傳遞效率。最近，天津大學(xué)姜忠義研究團(tuán)隊(duì)［73］受自然界光合作用過(guò)程中電子傳遞和酶保護(hù)協(xié)調(diào)機(jī)制啟發(fā)，通過(guò)在g-C3N4表面修飾［Cp*Rh（bpy）H2O］2+和介孔TiO2涂層，一方面保護(hù)醇脫氫酶不被g-C3N4和［Cp*Rh（bpy）H2O］2+抑制，另一方面，g-C3N4光生電子直接傳遞或通過(guò)介孔TiO2傳 遞 給［Cp*Rh（bpy）H2O］2+，原 位 再 生NADH，提高電子傳遞到酶的效率并減少電子與空穴復(fù)合，最終驅(qū)動(dòng)醇脫氫酶將甲醛還原成甲醇，與沒(méi)有修飾的g-C3N4相比，醇脫氫酶的活性提高了4.2倍。

上述反應(yīng)體系多為單酶催化過(guò)程，生物催化途徑通常含有多步酶催化反應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)利用不同底物合成目標(biāo)產(chǎn)物。Seelajaroen 等［74］將甲酸脫氫酶、甲醛脫氫酶和甲醇脫氫酶固定在石墨烯上，制成電極，利用電極直接注入電子電化學(xué)再生NADH，催化酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行，將CO2還原成甲醇，法拉第效率達(dá)12%。

3.2 材料-微生物雜化體

材料-酶雜化體光驅(qū)生物催化已成功應(yīng)用于光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化和多種產(chǎn)品的合成，為解析光生電子在材料與酶分子之間的傳遞過(guò)程和機(jī)理提供簡(jiǎn)易模型，指導(dǎo)了材料-生物雜化體的構(gòu)建和優(yōu)化。盡管材料-酶雜化體系具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但該體系有一些固有的缺點(diǎn)：①酶的分離純化過(guò)程繁雜及其在離體環(huán)境中的不穩(wěn)定性；②材料本身以及在光催化過(guò)程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)對(duì)酶活性的抑制；③需要添加額外的電子供體犧牲劑，而且大部分體系需要添加電子媒介［Cp*Rh（bpy）H2O］2+促進(jìn)電子傳遞，但［Cp*Rh（bpy）H2O］2+成本較高，目前尚未開(kāi)發(fā)出高效廉價(jià)的電子媒介；④離體酶無(wú)法實(shí)現(xiàn)再生和自主修復(fù)［57］。這些缺點(diǎn)限制了材料-酶雜化體在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換中的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

與材料-酶雜化體相比，微生物細(xì)胞能進(jìn)行自主復(fù)制和自我修復(fù)，細(xì)胞內(nèi)的代謝途徑和酶網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，能夠特異和高效地引導(dǎo)底物生成，產(chǎn)生多種材料-酶雜化體無(wú)法合成的復(fù)雜產(chǎn)物［10］。材料-細(xì)胞雜化體的核心是結(jié)合納米材料與微生物催化體系的優(yōu)勢(shì)，利用材料作為光吸收劑，生物細(xì)胞作為“催化劑”，光吸收劑產(chǎn)生的光生電子被微生物利用，參與代謝反應(yīng)，從而選擇性合成目標(biāo)代謝產(chǎn)物［圖4（c）］。目前，已通過(guò)半導(dǎo)體、染料/高分子和電極與不同細(xì)胞的復(fù)合，設(shè)計(jì)和制備了多種具有半人工光合作用的材料-微生物雜化體。

3.2.1 半導(dǎo)體-微生物雜化體

基于半導(dǎo)體-微生物復(fù)合的半人工光合作用，其本質(zhì)是半導(dǎo)體材料在光照下產(chǎn)生電子，將其傳遞給微生物，參與胞內(nèi)代謝反應(yīng)［圖4（c）］。在最初的光催化劑-微生物復(fù)合的半人工光合體系的研究中，楊培東課題組［75］利用熱醋穆?tīng)柧∕.thermoacetica）的自然解毒機(jī)制，將具有生物毒性的鎘離子（Cd2+）與細(xì)胞共培養(yǎng)，在此過(guò)程中，細(xì)菌細(xì)胞表面原位形成并沉積CdS NPs。光照下，來(lái)自CdS NPs 的光生電子穿過(guò)細(xì)胞膜，通過(guò)Wood-Ljundahl途徑參與CO2轉(zhuǎn)化為乙酸的反應(yīng)，其光能轉(zhuǎn)化為乙酸的量子效率2.4%。同樣，研究人員將光合固氮細(xì)菌（R.capsulata）與敏化的TiO2-MV2+系統(tǒng)相偶聯(lián)，在光驅(qū)動(dòng)下復(fù)合體系能催化產(chǎn)生H2［76］。Wang等［77］利用光合沼澤紅假單胞菌（R.palustris）與CdS NPs 組成無(wú)機(jī)-生物雜化體系，經(jīng)可見(jiàn)光照射CdS NPs 產(chǎn)生的光生電子促進(jìn)R.palustris的CO2還原和有價(jià)值的C2+化學(xué)品生成，在該過(guò)程中，CBB循環(huán)中間體甘油醛-3-磷酸、生物質(zhì)、類胡蘿卜素和聚β-羥基丁酸酯的產(chǎn)量均增加。

除了上述自養(yǎng)微生物，材料-微生物雜化體系在異養(yǎng)生物中也證實(shí)有效。Wang等［78］通過(guò)在細(xì)胞表面沉積CdS NPs促進(jìn)非光合生物大腸桿菌（E.coli）在厭氧條件下生產(chǎn)H2。隨后Wei 等［79］在此基礎(chǔ)上利用表面展示系統(tǒng)在E.coli細(xì)胞表面原位生物合成具有生物相容性的CdS NPs，同時(shí)引入二氧化硅封裝策略，使這種混合系統(tǒng)即使在自然有氧條件下也能連續(xù)生產(chǎn)H2。Guo等［80］在釀酒酵母（S.cerevisiae）細(xì)胞表面修飾磷化銦（InP）納米材料，有效光再生NADPH，成功實(shí)現(xiàn)了光驅(qū)動(dòng)異養(yǎng)細(xì)胞合成莽草酸。目前，已有多種異養(yǎng)微生物例如卵形鼠孢菌（S.ovata）［61］、巴氏甲烷八疊球菌（M.barkeri）［81-82］和羅爾斯通菌（R.eutropha）［83］等成功構(gòu)建具有光合功能的材料-微生物雜化體。在這些混合雜化體中，微生物細(xì)胞通過(guò)材料接收外界傳遞的電子或還原當(dāng)量，利用細(xì)胞內(nèi)特有途徑進(jìn)行合成代謝反應(yīng)，從而光驅(qū)動(dòng)合成化學(xué)品或能源燃料。除此之外，研究者們探究了材料-微生物雜化體其他方向的應(yīng)用，如周順桂課題組研究了雜化體在環(huán)境污水治理方面的應(yīng)用，利用微生物細(xì)胞構(gòu)建了硫還原地桿菌（Geobacter sulfurreducens）-CdS 雜化體，用于光驅(qū)動(dòng)下生物還原偶氮染料甲基橙（MO）。在此系統(tǒng)中一部分光生電子直接還原MO，另一部分電子被微生物利用進(jìn)行MO的生物還原，其處理效果優(yōu)于使用單獨(dú)的CdS材料或細(xì)胞［84］。張先正課題組［85］報(bào)道了一種光控材料輔助微生物系統(tǒng)，通過(guò)在希瓦菌K3259（Shewanella algaeK3259，S.algae）表面生物合成AuNPs 制備了雜化生物系統(tǒng)，利用S.algae的雙向電子傳遞機(jī)制，增強(qiáng)了抗腫瘤河豚毒素的原位合成，具有良好的抗腫瘤作用。

除了半導(dǎo)體納米材料外，具有量子尺寸效應(yīng)的材料，也能為細(xì)胞提供電子。Li 等報(bào)道較小尺寸（約5 nm）的Au NPs可進(jìn)入小球藻（C.zofingiensis）細(xì)胞內(nèi)部［圖4（c）］，提高PSⅡ中的相對(duì)電子傳遞速率和胞內(nèi)的活性氧水平，從而提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量［86］。楊培東團(tuán)隊(duì)［87］在構(gòu)建CdS-M.thermoacetica雜化體的工作基礎(chǔ)，利用生物相容性更好的光吸收劑--金納米團(tuán)簇（Au NCs）代替CdS，降低材料與微生物結(jié)合后產(chǎn)生的毒性；Au NCs 可以直接進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，在胞內(nèi)產(chǎn)生電子和還原力，縮短電子傳遞距離，最終在雜化體系中光驅(qū)動(dòng)CO2合成乙酸，與CdS 基雜化體相比量子效率提高了33%。為了進(jìn)一步提高材料與胞內(nèi)代謝酶特異性的相互作用，Ding 等［88］設(shè)計(jì)了多種核殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)（QDs），所有QDs 均由硫化鋅（ZnS）外殼包裹，同時(shí)通過(guò)合成生物學(xué)方法在微生物細(xì)胞內(nèi)引入表達(dá)組氨酸標(biāo)簽（His-tag）的目標(biāo)代謝酶（例如氫酶、固氮酶）。ZnS 外殼可以使QDs 特異性結(jié)合表達(dá)His-tag 的酶，在光照條件下，QDs 的光生電子直接傳遞給酶，最終有效提高光驅(qū)動(dòng)H2產(chǎn)量和N2的固定效率。為實(shí)現(xiàn)光能的高效吸收及電子的高效傳遞，雍陽(yáng)春團(tuán)隊(duì)［89］合理設(shè)計(jì)周質(zhì)光敏生物雜交系統(tǒng)（periplasmic photo sensitized biohybrid system，PPBS），將作為光敏劑的CuInS2/ZnS QDs及作為生物催化劑的氫化酶均定位于細(xì)胞的周質(zhì)空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高效的太陽(yáng)能制氫。PPBS 在可見(jiàn)光照射下表現(xiàn)出顯著的連續(xù)產(chǎn)氫特性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單獨(dú)使用QDs或細(xì)胞。

半導(dǎo)體材料在光照下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生電子進(jìn)入細(xì)胞參與胞內(nèi)代謝反應(yīng)，因此材料與細(xì)胞之間的界面電荷轉(zhuǎn)移是影響材料-微生物雜化體性能的重要因素，研究人員目前開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體-微生物雜化體中，材料有分布于細(xì)胞表面、細(xì)胞內(nèi)部、胞內(nèi)特定蛋白上這幾種方式，從而形成不同的電子傳輸界面［圖4（c）］。在不同的分布體系中，光生電子的傳輸方式和傳輸效率，還需進(jìn)一步研究。

3.2.2 染料/高分子-微生物雜化體

染料和高分子也是一類能提供光生電子的光敏劑，相比固體的半導(dǎo)體納米材料，它們能以游離的分子形式使用，通過(guò)靜電作用、范德華力或物理作用等與細(xì)胞復(fù)合，有利于形成接觸良好的雜化體。

EY、卟啉和Ru-吡啶染料等材料被廣泛用于提供光電子。在微生物中表達(dá)活性的P450，需要同時(shí)表達(dá)還原伴侶蛋白，來(lái)源于NAD（P）H 的2 個(gè)電子需經(jīng)過(guò)還原伴侶蛋白才能傳遞到P450 反應(yīng)中心激活加氧反應(yīng)［90］。Park 等［60］研究發(fā)現(xiàn)EY 可以穿過(guò)E.coli的細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，特異性結(jié)合到外源表達(dá)的P450 蛋白的Heme 活性中心區(qū)域，EY 的光生電子可以直接傳遞到Heme 激活加氧反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在不表達(dá)還原伴侶蛋白的條件下維持P450活動(dòng)。該結(jié)果為將來(lái)表達(dá)具有活性的P450 提供一種全新的策略，特別是對(duì)還未找到相應(yīng)還原伴侶的P450表達(dá)提供幫助。

王樹(shù)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一系列有機(jī)高分子光敏劑材料，例如，光活性陽(yáng)離子聚（芴-共-亞苯基）衍 生 物（PFP） 與 藍(lán) 細(xì) 菌（Synechococcussp.PCC7942，Syne）通過(guò)靜電組裝構(gòu)建了雜化體，PFP 優(yōu)異的紫外光捕獲能力顯著提高了Syne 的光利用，加速了電子轉(zhuǎn)移速率，進(jìn)一步增強(qiáng)了光合作用的效率［91］。苝二酰亞胺衍生物（PDI）和聚PFP 形成p-n 異質(zhì)結(jié)層覆著于M.thermoacetica細(xì)胞表面作為光敏劑，細(xì)胞因此可以從PFP/PDI異質(zhì)結(jié)層獲得光激發(fā)電子，通過(guò)Wood-Ljundahl 途徑固定CO2合成乙酸［92］。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了具有熒光特性的雙親性低聚（對(duì)亞苯基亞乙烯基）-Rh 配合物（OPV-Rh），其表面帶正電荷，與細(xì)胞親和能力強(qiáng)，可作為細(xì)胞內(nèi)催化劑將NADP+轉(zhuǎn)化為NADPH，從而增強(qiáng)聚羥基丁酸酯（PHB）生物材料的生物合成［93］。此外，Zhou等［94］發(fā)現(xiàn)具有綠光吸收和遠(yuǎn)紅光發(fā)射的聚合物聚（硼-二吡咯甲基-共-芴）（PBF）可以提高蛋白核小球藻（C.pyrenoidosa）PSⅠ的活性，隨后進(jìn)一步提高PSⅡ活性以增強(qiáng)自然光合作用，PBF 調(diào)控PSⅠ和PSⅡ之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，加速了光合電子傳遞，增加了O2、ATP 和NADPH的產(chǎn)量。Qi等［95］研究發(fā)現(xiàn)利用細(xì)胞生成的生物鈀催化劑可在C.pyrenoidosa細(xì)胞表面原位合成光活性聚苯乙烯乙炔（PPE），PPE 通過(guò)擴(kuò)大光吸收范圍和加速循環(huán)電子的傳遞從而增強(qiáng)胞內(nèi)ATP 的合成。

目前，在構(gòu)建材料-微生物雜化體的研究中，關(guān)于染料/高分子的使用相對(duì)較少，原因可能是相較于半導(dǎo)體材料，染料容易發(fā)生光漂白，且能帶難以調(diào)節(jié)，提供的還原電勢(shì)較弱；高分子光敏劑的能帶可以通過(guò)官能團(tuán)修飾和控制聚合度來(lái)調(diào)控，但單體聚合合成不可控，得到的物質(zhì)是混合物，重現(xiàn)性較差。此外，這二者還面臨生物相容性和環(huán)境毒性的問(wèn)題。

3.2.3 電極-微生物雜化體

與基于光催化劑-微生物復(fù)合的半人工光合作用體系相比，電極-微生物雜化體具有更好的可調(diào)性和可操作性。根據(jù)細(xì)菌與電極的相互作用方式，電極-微生物雜化體可以分為［圖4（d）］：①游離系統(tǒng)，微生物細(xì)胞以游離的形式分散在電解池中，電極產(chǎn)生的電子與H2或氧化還原介質(zhì)的合成相偶聯(lián)，然后再被微生物利用；②固定化系統(tǒng)，微生物固定在光電極上，電極產(chǎn)生的電子直接傳遞給微生物。

楊培東及其合作課題組［81］構(gòu)建由一個(gè)光解水的TiO2光陽(yáng)極和合成H2的p-InP-Pt光陰極組成的光電化學(xué)池與游離的甲烷菌（M.barkeri）復(fù)合的雜化系統(tǒng)，在光照的條件下，M.barkeri可以利用陰極產(chǎn)生的H2作為還原力，驅(qū)動(dòng)CO2還原成甲烷。該系統(tǒng)7 d 累計(jì)甲烷產(chǎn)量為4.24 mmol，法拉利效率為74%。Nocera 團(tuán)隊(duì)采用類似的策略，構(gòu)建了CoPi 陽(yáng)極和Co-P 陰極，與經(jīng)過(guò)代謝工程改造的富養(yǎng)產(chǎn)堿菌（R.eutropha）復(fù)合，實(shí)現(xiàn)陰極產(chǎn)生的H2驅(qū)動(dòng)CO2還原成多種高能量的多碳化合物：聚（3-羥基丁酸酯）、異丙醇、異丁醇和3-甲基-1-丁醇。所構(gòu)建光伏設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18%，基于該效率，上述電極-R.eutropha雜化體光能轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)的效率接近10%，光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)品效率超過(guò)7%［96］，與天然光合作用效率最高的微藻在最佳培養(yǎng)條件下的光能轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)（5%～7%）［17］。除了固碳之外，Nocera 團(tuán)隊(duì)將上述電極與固氮菌（自養(yǎng)黃色桿菌X.autotrophicus）復(fù)合，應(yīng)用于能量需求更高的固氮反應(yīng)［97］。該系統(tǒng)也是利用H2作為電子載體，連接電極和微生物細(xì)胞。但是，由于H2在水溶液中溶解度非常低（0.79 mmol/L）且在電極界面?zhèn)鬟f的效率低，因此限制了整個(gè)系統(tǒng)的能量傳遞速率。最近，Liu 團(tuán)隊(duì)［98］利用氟化碳納米乳劑作為H2的載體，提高H2的傳遞效果和微生物細(xì)胞周圍可利用的H2濃度，將H2驅(qū)動(dòng)S.ovata還原CO2合成乙酸的效率提高1.9倍。

通過(guò)將微生物緊密結(jié)合在電極上，電極上的電子無(wú)需轉(zhuǎn)移給低溶解度的電子載體H2，可以直接通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)參與胞內(nèi)代謝途徑［圖4（d）］。楊培東團(tuán)隊(duì)［61］在2015 年首次將硅納米線陣列與S.ovata復(fù)合，微生物細(xì)胞結(jié)合在硅納米線上，能直接利用硅納米線的光生電子在中性pH、無(wú)輔助介質(zhì)的條件下，驅(qū)動(dòng)胞內(nèi)Wood-Ljungdahl 途徑固定CO2合成乙酸；合成生物學(xué)改造的E.coli可以直接利用乙酸作為底物，合成高附加值的化學(xué)品和藥物［圖4（d）］。該系統(tǒng)在概念上證實(shí)可直接利用光能將CO2和水轉(zhuǎn)化為多碳化合物，但其光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率僅為0.4%。近期，楊培東課題組［99］報(bào)道通過(guò)優(yōu)化電解質(zhì)pH 和緩沖能力，提高細(xì)菌與電極的界面相互作用，實(shí)現(xiàn)了高密度的細(xì)菌與硅納米線陣列結(jié)合。該優(yōu)化系統(tǒng)的CO2還原電流密度達(dá)到0.65 mA/cm2，對(duì)應(yīng)光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率提高至3.6%，可以媲美絕大部分天然光合作用的轉(zhuǎn)化效率（4%～5%）。微生物固定到電極表面有利于電子傳遞，在傳遞效率上，結(jié)合在電極表面的細(xì)菌越多越好，但超過(guò)一定厚度的細(xì)菌結(jié)合在電極材料表面，就會(huì)抑制光電極的吸光性能，在一定程度上限制電極-固定微生物系統(tǒng)光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率。因此，將來(lái)對(duì)電極-微生物雜化體的設(shè)計(jì)中，在擴(kuò)大細(xì)菌結(jié)合位點(diǎn)的同時(shí)應(yīng)避免過(guò)厚的細(xì)菌疊積，例如設(shè)計(jì)三維多孔電極，有利于提高電極-微生物相互作用和提高光能轉(zhuǎn)換效率。

4 總結(jié)與展望

目前材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化技術(shù)還處于起步階段，光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性以及規(guī)?；龋€無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是深入理解材料-微生物的界面相互作用，提高材料的穩(wěn)定性和生物相容性，改善能量與電荷在界面處的傳遞效率以及生物體系能量利用效率。

當(dāng)前可以利用的材料還非常有限，但隨著材料化學(xué)的不斷發(fā)展，將會(huì)有更多的新型材料應(yīng)用于雜化體系。通過(guò)對(duì)材料的組成成分、形貌和表面修飾等方面進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，可以為創(chuàng)造最佳的材料-生物組合提供條件。例如活性氧自由基是材料-生物雜化體系中最常見(jiàn)的有毒物質(zhì)，楊培東團(tuán)隊(duì)［100］通過(guò)在嚴(yán)格厭氧菌（M.thermoacetica）表面包裹一層金屬有機(jī)框架（MOFs）材料，在有氧的條件下可以有效降低體系中活性氧自由基對(duì)細(xì)菌的毒性，提高雜化體系的穩(wěn)定性。另外，根據(jù)生物組分（微生物細(xì)胞或酶）的特性和目標(biāo)代謝途徑選擇合適材料元件，能實(shí)現(xiàn)材料與微生物細(xì)胞的可控結(jié)合（分布在細(xì)胞外、細(xì)胞膜上、細(xì)胞內(nèi)和特異性結(jié)合目標(biāo)蛋白），從而構(gòu)建功能性的雜化體。

微生物在材料-生物雜化體中有著至關(guān)重要的作用，目前該領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)主要來(lái)自材料或化學(xué)相關(guān)背景的領(lǐng)域，材料-微生物雜化體中涉及的微生物種類有限，且微生物多為野生型菌株或僅僅導(dǎo)入一些簡(jiǎn)單代謝途徑的工程菌。隨著越來(lái)越多的微生物學(xué)和合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究人員加入這一新興的領(lǐng)域，對(duì)微生物進(jìn)行多種多樣的改造和優(yōu)化，將進(jìn)一步拓寬材料-生物雜化體的研究及應(yīng)用。值得關(guān)注的是，材料與微生物的結(jié)合必定對(duì)微生物產(chǎn)生影響，最近研究人員通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)微生物與材料結(jié)合后，胞內(nèi)多種蛋白和代謝物都不同程度地上調(diào)或下調(diào)，其中與能量代謝相關(guān)的基因（如NADH 脫氫酶、ATP合酶等）顯著上調(diào)，符合光驅(qū)動(dòng)納米材料為胞內(nèi)提供更多能量的預(yù)期［101］。另外，目前針對(duì)半導(dǎo)體光催化產(chǎn)生的電子向胞內(nèi)傳遞的通路，通過(guò)光譜分析（瞬態(tài)吸收光譜、時(shí)間分辨紅外光譜）發(fā)現(xiàn)野生型的M.thermoacetica細(xì)胞膜上的氫酶參與電子傳遞，且存在其他途徑［102］，但具體電子傳遞鏈至今未知。最近，Xiong 等［103］通過(guò)電極與PSⅡ功能缺失的藍(lán)細(xì)菌突變體進(jìn)行復(fù)合，結(jié)合光合電子傳遞抑制劑，發(fā)現(xiàn)胞外電子的入口可能是PQ。未來(lái)將進(jìn)一步結(jié)合組學(xué)分析、光譜學(xué)分析和微生物生理生化分析，解析能量和電荷在材料-微生物界面?zhèn)鬟f的通路、胞內(nèi)電子傳遞通路及能量利用的優(yōu)先順序，這將有利于尋找潛在提高胞內(nèi)能量的利用效率的靶點(diǎn)，理性指導(dǎo)細(xì)菌電子轉(zhuǎn)移和受體蛋白的遺傳改造，以提高電子傳遞效率為細(xì)菌提供充足電子，使材料-微生物雜化體高效合成目標(biāo)產(chǎn)物成為可能。

總之，為了獲取更高的光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率，基于材料-生物雜化體的光驅(qū)生物催化集合了自然光合作用和人工光合作用的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)工作需要分別從材料、微生物以及材料-微生物的復(fù)合形式等多方面開(kāi)展工作，最終推動(dòng)材料-生物雜化體的規(guī)?；谩?/p>