2023年4月4日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃鑫團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表了一篇題為Algal cell bionics as a step towards photosynthesis-independent hydrogen production的研究論文。該論文揭示了藻類細(xì)胞仿生學(xué)對(duì)非光合作用制氫的重要意義。

 藻類細(xì)胞產(chǎn)生氫氣的工程化早在1942年就開始了，基于利用光能捕獲系統(tǒng)中的電子，在光合電子傳遞鏈的還原端驅(qū)動(dòng)氫酶活性。然而，光合產(chǎn)氫是短暫的，通常僅在黑暗-光亮轉(zhuǎn)換期間持續(xù)幾分鐘，因?yàn)榘殡S產(chǎn)生的光合氧強(qiáng)烈抑制了氫酶的活性。因此開發(fā)了基于厭氧發(fā)酵、呼吸增強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)剝奪和耐氧氫化酶基因工程的策略，以消除氧氣產(chǎn)生的負(fù)面影響。此外，最近的研究表明，誘導(dǎo)藻類細(xì)胞聚集，作為在空氣中創(chuàng)造局部缺氧條件的策略是可行的。

 本研究中開發(fā)了一種細(xì)胞仿生方法，將活體藻類細(xì)胞與導(dǎo)電聚合物的超薄外殼以及碳酸鈣外骨骼相結(jié)合，形成一個(gè)離散的細(xì)胞微環(huán)境，能夠持續(xù)進(jìn)行光合和非光合作用氫氣。表面增強(qiáng)的藻類細(xì)胞引起氧氣消耗，并提供結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性，共同產(chǎn)生了局部缺氧條件和與之相伴隨的氫酶活性，使其可以在空氣中發(fā)生作用。

 為了證實(shí)外部電子在氧濃度降低情況下的光合反應(yīng)，作者測(cè)量了葉綠素?zé)晒馑矐B(tài)曲線和熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以評(píng)估PSII對(duì)光能的吸收和捕獲，以及隨后的光合電子轉(zhuǎn)移過程。熒光實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于在外部介質(zhì)中添加EY和TEOA的PPy/CaCO₃包被細(xì)胞，葉綠素?zé)晒馇€中的Fm增加，表明PSII中D1蛋白的活性增強(qiáng)，從而有助于PSII電子受體的更高效率。此外，觀察到了提高的電子傳輸量子產(chǎn)率（φEo），表明從PSII捕獲的光能更高效地用于隨后的傳遞過程。結(jié)合增強(qiáng)的Sm值，可以推測(cè)PQ庫被擴(kuò)大，更多電子通過光合作用鏈傳遞。此外，PSII反應(yīng)中心的密度也增加，如每個(gè)CSm上減少的PSII中心數(shù)（RC/CSm）的改善所示。在光系統(tǒng)的特定能量通量方面，對(duì)于存在EY和TEOA的PPy/CaCO3包被細(xì)胞，單位激發(fā)截面（CSm）的吸收能量（ABS/CSm）和捕獲能量（TRo/CSm）均得到增強(qiáng)，表明葉綠素吸收了更多光能，然后用于QA的還原。此外，單位CSm的電子轉(zhuǎn)移能量（ETo/CSm）和還原終點(diǎn)電子受體（REo/CSm）也增加，表明還原的QA與電子傳輸?shù)脑傺趸纳?，并且更多的電子達(dá)到了電子傳遞鏈的末端。這些觀察結(jié)果揭示了外部電子參與了小球藻細(xì)胞光合作用途徑，并提高了光能吸收、捕獲和傳遞的所有效率。因此，基于吸收（PIabs）、截面（PIcs）和能量轉(zhuǎn)換（PItotal）的性能指數(shù)以及Fv/Fm值均得到了顯著改善，表明PPy/CaCO3包被小球藻細(xì)胞成功內(nèi)化了外部電子，并增強(qiáng)了光活性。

本研究中熒光實(shí)驗(yàn)所用的儀器是由北京雅欣禮儀科技有限公司自主研發(fā)的葉綠素?zé)晒猓?/span>Yaxin-1161G），該儀器是一款對(duì)葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)過程實(shí)現(xiàn)全面測(cè)量的精密儀器。測(cè)量過程都在人工光源下，最大限度避免了外界雜散光的干擾。以瞬態(tài)熒光方法為基礎(chǔ)，結(jié)合調(diào)制與非調(diào)制的功能形成Yaxin-1161G的測(cè)量方法。它是對(duì)PSⅠ、PSⅡ工作狀況進(jìn)行分析的探針性工具，對(duì)熒光動(dòng)力學(xué)的快相和慢相均可觀測(cè)。更先進(jìn)的產(chǎn)品已經(jīng)上市，分別有Yaxin-1165植物熒光動(dòng)力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和Yaxin-1168藻類熒光動(dòng)力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。

 本研究展示了一種細(xì)胞仿生學(xué)方法來增強(qiáng)綠色氫能的產(chǎn)生，將人工生物氫產(chǎn)生途徑與自然光合作用集成到表面增強(qiáng)的藻類細(xì)胞中。基于活細(xì)胞和聚合物/無機(jī)雜化材料主動(dòng)接口的方法，可以提供新的生物強(qiáng)化平臺(tái)，并有助于開發(fā)新型的細(xì)胞活體材料和微生物細(xì)胞工廠，這些工廠在可持續(xù)能源生產(chǎn)和綠色生物制造中具有潛在應(yīng)用。