光合作用是生物利用太阳光的最重要方式。在光照条件下，光合作用可以将水和二氧化碳转化为有机物。然而，自然光合作用的效率很低，光利用率不到1%。细菌-半导体人工光合作用体系可以完整地模拟自然光合作用，实现二氧化碳的固定，光利用率显著高于自然光合作用。另外，通过基因工程改造的细菌，可以进一步将碳产物转化为高附加值的化学品，例如珍贵天然药物等。基于生物-半导体的人工光合作用体系从诞生至今尚不足10年，是一个新兴的研究方向。

选择生物相容性好的半导体材料，并将其引入非光合生物中，是实现人工光合作用比较理想的体系。近日，西湖大学工学院研究团队将低生物毒性的量子点引入到非光合细菌中，构建了一种人工光合作用体系。该体系能够实现二氧化碳到乙酸的高效转化，整个过程的光利用率可以达到6%以上。每升人工光合作用体系的溶液，每周的乙酸产量可以达到克级水平，显示出该体系良好的工业化放大前景。由于细胞内量子点产生的电子，可以直接参与光合作用过程，不需要跨越细胞膜等障碍，大大降低了能量消耗，在转化效率上相较于细胞外半导体具有明显优势。在此基础上，本工作利用工程化改造的大肠杆菌，将获得的乙酸进一步转化为复杂有机物紫穗槐二烯，完成了对自然光合作用的闭环模拟。该研究以“Intracellular InP quantum dots facilitate the conversion of carbon dioxide to value-added chemicals in non-photosynthetic bacteria”为题发表在纳米技术领域期刊《Nano Today》上，2020级浙江大学-西湖大学联合培养博士研究生温娜为第一作者，西湖大学工学院特聘研究员柳佃义和冀波涛以及浙江大学化学系教授朱海明为共同通讯作者。本研究由国家重点研发项目（No.2022YFC3401802）、中国国家自然科学基金（22101233）和西湖教育基金会资助完成。

图1 论文截图

图2 人工光合体系实现二氧化碳固定和高附加值化学品生产的原理图

本研究中使用生物相容性良好的InP量子点和 Sporomusa ovata细菌构建人工光合体系。量子点尺寸仅~7 nm，能够进入细胞内部，可以与细胞内的酶进行更有效的电子传输，提高细菌的代谢速率，使得细菌的乙酸产量显著提升。随后，通过工程化的大肠杆菌，继续将得到的乙酸转化为青蒿素前体紫穗槐二烯。该细菌-量子点人工光合作用体系，实现了从温室气体二氧化碳到高附加值化学品的生物转化，在大规模太阳能-化学能转化、生物固碳和生物合成等方面具有很大的应用潜力。

图3 量子点半导体材料的表征

本研究中采用热注入法，合成了稳定性较高的InP/ZnSe/ZnS量子点，吸收峰位于610 ~ 620 nm。

图4 细菌与量子点进行共同孵育前后的TEM图像

为了研究量子点进入细菌内部后的分布状态，我们制备了超薄树脂样品切片，并使用透射电镜（TEM）对样品进行了观察。在细菌-量子点杂交体系中发现，大部分量子点分布在细菌细胞内部，少部分量子点分布在细胞膜表面。

图5 不同条件下杂交体系的光合作用性能

通过对人工光合作用过程中各影响因素的研究，优化了杂交体系的条件，建立起严格的人工光合测试体系。在光照条件下，细胞内量子点产生的光电子可以直接转移到分布在细胞质中的氢化酶，进而直接参与细菌的代谢，将二氧化碳还原为乙酸。在人工光合体系中，1升的杂交体系其乙酸生产效率可达~0.6 mmol·L^-1·h^-1，也展示出该体系大规模应用的潜力。

图6 不同体系的瞬态吸收光谱及其衰减动力学结果

我们利用瞬态吸收光谱研究了杂交体系中的电子转移过程。结果表明，纯量子点溶液的光激发电子衰减最慢，细菌量子点杂交体系表现出快速的电子转移趋势。

图7 利用基因工程化的大肠杆菌生产高附加值化学品

将人工光合作用和合成生物学的优势相结合，即将二氧化碳还原与工程化大肠杆菌催化生物合成相结合，是获得高附加值化学品的重要策略。通过工程化大肠杆菌构建的生物生产途径，可以将人工光合作用得到的大量乙酸，进一步转化为青蒿素前体紫穗槐二烯，产物总收率最高可以达到91 μg。

综上所述，我们构建了一种细菌-量子点人工光合作用体系，该体系通过结合两种非光合细菌，实现了温室气体二氧化碳的还原以及高附加值化学品的生产，展示了该体系在二氧化碳固定和复杂有机化学品的生产方面良好的应用潜力。同时，该工作也是本课题组在半导体材料学和生物学交叉领域进行的一次成功尝试。

本文亮点：

• 将生物相容性好的量子点成功应用到半导体材料和非光合细菌的杂交体系中；

• 证明了杂交体系中细胞内量子点产生的电子是主要贡献；

• 量子点细菌杂交体系可大规模应用，光合产物乙酸产量可达0.89 mmol·L⁻¹·h⁻¹，量子效率为6~8%；

• 通过两种非光合细菌的结合，实现了从二氧化碳到高附加值化学品的转化，完成了光合作用完整的人工模拟过程。

文章信息：

Na Wen, Qianqing Jiang, Jiting Cui, Haiming Zhu*, Botao Ji*, Dianyi Liu*, Intracellular InP quantum dots facilitate the conversion of carbon dioxide to value-added chemicals in non-photosynthetic bacteria, Nano Today 47 (2022) 101681.

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101681.

先进光电子材料与器件实验室：

西湖大学工学院柳佃义课题组主要研究方向包括：1.透明太阳能电池；2.人工光合作用研究；3.电子皮肤；4.可穿戴器件。

柳佃义团队主页：http://nature.westlake.edu.cn/