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第一作者：肖可蒙，梁俊，王新宇
通訊作者：王博，鍾超，姜志鋒
通訊單位：中國科學院深圳先進技術研究院，江蘇大學
論文DOI：DOI:10.1039/D1EE03094A
全文速覽
以純太陽能驅動化學、能源和製藥工業的生產和發展將是實現碳中和的根本途徑，並有望緩解當前所面臨的能源環境危機。半人工光合系統結合了自然光合和人工光合的優點，可用於轉換簡單小分子物質如CO2, N2, H2O合成有價值的大分子產物。近日，中國科學院深圳先進技術研究院王博團隊和鍾超團隊聯合江蘇大學姜志鋒課題組於Energy Environ. Sci.以“Panoramic insightsinto semi-artificial photosynthesis: origin, development, and futureperspective”為題共同發表綜述性文章。本文綜述了包括非細胞複合物和基於微生物底盤的各種半人工光合系統的起源、發展和前景。透過探討了生物-生物介面的電子和能量傳遞機制，旨在為半人工光合系統的最終進化提供方向，並呼籲生物、化學和物理領域的專家開展跨學科研究，最終實現淨零碳排放甚至負排放社會。
圖 1 半人工光合作用概覽
背景介紹
近年來能源危機和環境汙染問題不斷加劇，高效轉化利用以太陽能為代表的綠色清潔能源成為了人類社會可持續發展的重大需求。結合材料高效的捕光能力和生物體系高特異性的產物催化能力，用光催化材料對生物代謝過程進行賦能的“半人工光合作用” 研究應運而生。透過光催化材料為細胞代謝提供能量，有望實現太陽能到食品、藥品、燃料、材料等高價值產品的特異性轉化。
圖2 半人工光合作用的工作機理
研究出發點
雖然目前已有部分優秀綜述闡述了半人工光和系統的一部分進展，但大多集中在非細胞或者細胞體系以及特定的能量轉化模式如固碳。其他的一些體系包括光反應酶（既能捕光又能催化），仿生物大分子，基因改造的光敏分子等從廣義上也可定義為半人工光合，卻鮮有討論。同時電子和能量在材料/細胞介面以及胞內傳遞過程的理解和監測手段較為有限。基於此，本綜述對各種光敏劑（光電極、奈米顆粒、光敏染料和生物光敏分子）和各種催化反應中心（酶、全細胞底盤、奈米材料）進行了全面的討論和合理的分類。本文還詳細闡述了介面效應如電子和能量的生物-非生物傳遞，包括在以前的研究中很少考慮的材料對細胞和細胞對材料的影響，以及生物-非生物介面的表徵方法和未來應用前景。同時結合合成生物學對微生物代謝的強大改造能力發展半人工光合技術，將推動生物製造向清潔、綠色、可持續過程發展，加深人類對生命-非生命互作的理解。
圖文解析
非細胞半人工光合體系
根據捕光中心和催化中心，非細胞半人工光合體系可分為生物光敏中心-半導體催化中心雜化體系，有機染料-酶雜化體系，半導體-酶體系，光敏分子-仿生物大分子體系，光反應酶等。圖3 概括了常見的催化中心和捕光中心的大分子物質或半導體材料。
圖 3基於光敏中心和催化中心的非細胞光合系統元件示意圖。
基於生物細胞體系的半人工系統
基於生物細胞的半人工光合系統根據捕光材料的差異，可分為光電極/奈米材料-細胞體系。其中這兩種不同體系細胞和材料的接觸方式又可分為離散型和密接型（圖4）。不同型別的光和體系的電子和能量傳導方式都具有明顯的差異，在文中進行了詳細的討論。
圖4 具有代表性的奈米材料/光電極-細胞體系
生物-非生物介面
生物-非生物介面的相互作用包括材料對細胞以及細胞對材料的影響，以及電子和能量傳遞在介面的傳遞。構建半人工光合系統時不僅需要考慮材料的生物相容性和光電轉化能力，同時也需要考慮細胞分泌物等對材料效能的不利影響。而電子在生物-非生物介面的傳遞主要有直接傳導和間接傳導模式（圖5），但是詳細的傳導過程仍需要詳細的研究，目前常用的研究手段主要透過瞬態吸收分析、時間分辨紅外分析、局域表面等離子共振分析揭示材料-細胞介面能量傳遞的關鍵載體及其存在形式。
圖5 生物-非生物介面電子傳遞模式概覽。
總結與展望
半人工光合作用研究出現時間較短，目前已報到的雜化體系仍處於概念證明階段。奈米材料的使用成本、可重複利用性及其與不同催化中心或者細胞工廠結合後的應用前景仍存在較大爭議，需要進一步深入研究。此外，此類系統的最優能量傳遞形式仍處於競爭激烈的研究階段。對於能量在材料/細胞介面以及胞內傳遞過程的理解和監測手段較為有限。實現光催化奈米材料高效賦能細胞代謝過程，達到光碟機動綠色生物製造的目標，需要克服上述問題。
作者介紹
王博，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員，博士生導師。課題組主要以合成生物學、微生物學、光電催化、材料化學為手段，構建光電奈米材料賦能的微生物細胞工廠-暨半人工光合系統。研究材料介導的生物光電反應，以及微生物細胞工廠的能量捕獲和產物轉化，應用於光電驅動的高價值化學品生產，並嘗試解決能源、環境、醫療等科學問題。研究成果以第一作者和通訊作者在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Nano Energy, Nanoscale, J.Mater. Chem. A, Appl. Catal. B-Environ.等國際專業學術期刊發表文章15篇。
姜志鋒，江蘇大學能源研究院教授。主要致力於光催化清潔能源的開發與利用以及水體環境淨化與處理。先後在美國哥倫比亞大學化工系、香港中文大學生命科學學院以及香港城市大學能源與環境學院、超金剛石及先進薄膜研究中心（COSDAF）從事科研工作。目前主持包括國家自然科學基金面上專案在內的各類科研專案5項。現為Transactions of Tianjin University青年編委，中國感光學會青年理事，中國化學會會員，美國化學會紐約催化學會會員。近年來以第一或通訊作者在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, AdvancedEnergy Materials等重要期刊發表SCI收錄論文30餘篇，其中3篇論文入選ESI-TOP前1%，引用超3000次，H因子30。2021年獲批江蘇省優秀青年科學基金，同年入選江蘇省特聘教授、江蘇省高層次人才科技副總。曾獲得江蘇省教育科學研究成果二等獎以及江蘇省分析測試科學技術二等獎等。
