2023年4月4日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃鑫團隊在《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(lèi)細胞仿生學(xué)對非光合作用制氫的重要意義。

 藻類(lèi)細胞產(chǎn)生氫氣的工程化早在1942年就開(kāi)始了，基于利用光能捕獲系統中的電子，在光合電子傳遞鏈的還原端驅動(dòng)氫酶活性。然而，光合產(chǎn)氫是短暫的，通常僅在黑暗-光亮轉換期間持續幾分鐘，因為伴隨產(chǎn)生的光合氧強烈抑制了氫酶的活性。因此開(kāi)發(fā)了基于厭氧發(fā)酵、呼吸增強、營(yíng)養剝奪和耐氧氫化酶基因工程的策略，以消除氧氣產(chǎn)生的負面影響。此外，最近的研究表明，誘導藻類(lèi)細胞聚集，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(kāi)發(fā)了一種細胞仿生方法，將活體藻類(lèi)細胞與導電聚合物的超薄外殼以及碳酸鈣外骨骼相結合，形成一個(gè)離散的細胞微環(huán)境，能夠持續進(jìn)行光合和非光合作用氫氣。表面增強的藻類(lèi)細胞引起氧氣消耗，并提供結構和化學(xué)穩定性，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，作者測量了葉綠素熒光瞬態(tài)曲線(xiàn)和熒光動(dòng)力學(xué)參數，以評估PSII對光能的吸收和捕獲，以及隨后的光合電子轉移過(guò)程。熒光實(shí)驗表明，對于在外部介質(zhì)中添加EY和TEOA的PPy/CaCO₃包被細胞，葉綠素熒光曲線(xiàn)中的Fm增加，表明PSII中D1蛋白的活性增強，從而有助于PSII電子受體的更高效率。此外，觀(guān)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(guò)程。結合增強的Sm值，可以推測PQ庫被擴大，更多電子通過(guò)光合作用鏈傳遞。此外，PSII反應中心的密度也增加，如每個(gè)CSm上減少的PSII中心數（RC/CSm）的改善所示。在光系統的特定能量通量方面，對于存在EY和TEOA的PPy/CaCO3包被細胞，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，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與電子傳輸的再氧化改善，并且更多的電子達到了電子傳遞鏈的末端。這些觀(guān)察結果揭示了外部電子參與了小球藻細胞光合作用途徑，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）和能量轉換（PItotal）的性能指數以及Fv/Fm值均得到了顯著(zhù)改善，表明PPy/CaCO3包被小球藻細胞成功內化了外部電子，并增強了光活性。

本研究中熒光實(shí)驗所用的儀器是由北京雅欣禮儀科技有限公司自主研發(fā)的葉綠素熒光（Yaxin-1161G），該儀器是一款對葉綠素熒光動(dòng)力學(xué)過(guò)程實(shí)現全面測量的精密儀器。測量過(guò)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，結合調制與非調制的功能形成Yaxin-1161G的測量方法。它是對PSⅠ、PSⅡ工作狀況進(jìn)行分析的探針性工具，對熒光動(dòng)力學(xué)的快相和慢相均可觀(guān)測。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)測量系統和Yaxin-1168藻類(lèi)熒光動(dòng)力學(xué)測量系統。

 本研究展示了一種細胞仿生學(xué)方法來(lái)增強綠色氫能的產(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的藻類(lèi)細胞中?；诨罴毎途酆衔?/span>/無(wú)機雜化材料主動(dòng)接口的方法，可以提供新的生物強化平臺，并有助于開(kāi)發(fā)新型的細胞活體材料和微生物細胞工廠(chǎng)，這些工廠(chǎng)在可持續能源生產(chǎn)和綠色生物制造中具有潛在應用。