Interdisciplinary 交叉學(xué)科
模仿自然界光合作用過(guò)程，基于化學(xué)光催化劑進(jìn)行CO2轉(zhuǎn)化的人工光合作用，描繪了實(shí)現(xiàn)人工碳循環(huán)的美好藍(lán)圖。然而，目前的人工化學(xué)光催化劑在將CO2轉(zhuǎn)化為多碳產(chǎn)物的活性和選擇性方面并不比生物系統(tǒng)占優(yōu)勢(shì)?；诖耍匀还夂献饔每梢詾槿斯せ瘜W(xué)光催化劑的開(kāi)發(fā)提供豐富的生物靈感，以解決其瓶頸問(wèn)題。
來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的熊宇杰教授、高超副教授團(tuán)隊(duì)近日在Cell Press細(xì)胞出版社旗下Chem Catalysis 期刊發(fā)表Perspective前瞻性綜述論文，通過(guò)系統(tǒng)評(píng)述該新興領(lǐng)域最近取得的成功，展示了從半人工光合成生物雜化體系到仿生光催化系統(tǒng)的發(fā)展，闡明了各種生物雜化和仿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理，并且提出了該研究領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
自然給予人工光合成的靈感
數(shù)十億年的進(jìn)化使自然生物體具有能夠從太陽(yáng)獲取光能并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)/生物能（稱為光合作用）的能力。光合作用使綠色植物、藻類和某些細(xì)菌能夠捕獲光子，隨后驅(qū)動(dòng)多電子化學(xué)過(guò)程，將大氣中的CO2轉(zhuǎn)化成多碳產(chǎn)物（主要是富含能量的碳水化合物）。為了滿足對(duì)可持續(xù)能源日益增長(zhǎng)的需求，并解決CO2過(guò)度排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，近幾十年來(lái)，大量研究致力于模仿自然光合作用過(guò)程，開(kāi)發(fā)基于化學(xué)光催化劑的CO2轉(zhuǎn)化人工光合成系統(tǒng)。光催化劑可以在溫和環(huán)境條件下利用光生電子進(jìn)行氧化還原反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值的燃料和化學(xué)品，為實(shí)現(xiàn)人工碳循環(huán)提供了非常有前景的途徑。化學(xué)光催化劑通常由半導(dǎo)體或金屬配合物光敏劑作為光捕獲器，因其具有易于調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)太陽(yáng)能方面可以超越自然光合作用。然而，盡管化學(xué)光催化CO2轉(zhuǎn)化已經(jīng)取得蓬勃發(fā)展，目前人工化學(xué)光催化劑在CO2轉(zhuǎn)化方面仍難以達(dá)到生物系統(tǒng)的水平?；瘜W(xué)光催化CO2還原的產(chǎn)物主要局限于C1產(chǎn)品（如 CO、HCOOH 和 CH4），而對(duì)高選擇性地獲得更高價(jià)值的多碳液體燃料和化學(xué)品仍是巨大的挑戰(zhàn)。與此形成鮮明對(duì)比的是，天然生物體利用酶可以特異性地高效催化CO2轉(zhuǎn)化生成多碳產(chǎn)物?；诖?，自然光合作用可以為人工化學(xué)光催化劑的開(kāi)發(fā)提供生物啟示，以解決其瓶頸問(wèn)題（圖 1）。通過(guò)結(jié)合化學(xué)光催化劑和生物系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，有望最終實(shí)現(xiàn)“源于自然，超越自然”的目標(biāo)。
圖1：受自然界綠色植物和微生物光合作用啟發(fā)的人工光合成系統(tǒng)示意圖
半人工光合成生物雜化體系
將生物酶甚至整個(gè)細(xì)胞與人造材料結(jié)合協(xié)同作用，創(chuàng)新了可持續(xù)的太陽(yáng)能到燃料和太陽(yáng)能到化學(xué)品的生產(chǎn)方式，通常被稱為半人工光合作用。這種生物雜化體系結(jié)合了自然光合作用和人工光合作用的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了它們各自的局限性。本節(jié)將分別評(píng)述全細(xì)胞微生物–半導(dǎo)體生物雜化體和酶–半導(dǎo)體生物雜化體在半人工光合作用方面的典型成功案例。
全細(xì)胞微生物–半導(dǎo)體生物雜化體系
自然界微生物可以利用多種酶進(jìn)行生物級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)，通過(guò)多種代謝途徑將最簡(jiǎn)單的小分子（如CO2、N2和H2O）選擇性地轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的大分子。有些生物，如藍(lán)藻，甚至可以通過(guò)光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?。相比之下，一些非光合?xì)菌雖然可以固定CO2產(chǎn)生含碳有機(jī)物，但它們沒(méi)有捕獲和利用太陽(yáng)光的能力。基于此，將具有催化活性的微生物與人工合成的吸光半導(dǎo)體材料相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)其在太陽(yáng)能捕獲、催化反應(yīng)活性和選擇性方面優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的有效途徑，有望突破傳統(tǒng)化學(xué)光催化劑體系的瓶頸（圖 2）。在這種全細(xì)胞微生物–半導(dǎo)體生物雜化系統(tǒng)中，合成的半導(dǎo)體材料通常作為固定微生物的載體并捕獲太陽(yáng)能為微生物提供還原當(dāng)量（光生電子）。半人工光合成生物雜化系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)規(guī)?；褂肅O2和太陽(yáng)光生產(chǎn)高價(jià)值燃料和化學(xué)品的微生物工廠提供了前所未有的機(jī)會(huì)。
圖 2. 用于CO2轉(zhuǎn)化的全細(xì)胞微生物–半導(dǎo)體光合生物雜化體系示意圖
生物酶–半導(dǎo)體生物雜化體系
全細(xì)胞微生物–半導(dǎo)體生物雜化體系的成功啟發(fā)了研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)酶–半導(dǎo)體生物雜化體，因?yàn)槲⑸飳?duì)反應(yīng)的活性在很大程度上取決于細(xì)胞內(nèi)相關(guān)特定的酶。因此，理解這些生物酶背后的反應(yīng)機(jī)制可以有益于化學(xué)合成系統(tǒng)和生物雜化體系的理性設(shè)計(jì)。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，酶可以高效、選擇性地催化傳統(tǒng)化學(xué)催化劑難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)。與基于全細(xì)胞微生物的生物雜化體相比，基于酶的生物雜化體在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面往往面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；诖?，介孔金屬-有機(jī)框架（MOFs）材料為裝載酶提供了理想的載體，其可調(diào)的微環(huán)境有助于保護(hù)酶的反應(yīng)活性。此外，光敏分子還可以組裝到MOFs有序的孔道結(jié)構(gòu)中，從而促進(jìn)光生電荷向酶的高效轉(zhuǎn)移。
仿生光合成系統(tǒng)
基于對(duì)半人工光合成生物雜化體系的深入理解，科研人員進(jìn)一步嘗試向酶、葉綠體和微生物學(xué)習(xí)，以開(kāi)發(fā)具有相當(dāng)甚至超越自然生物體活性的仿生光合成系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)仿生光合成系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)策略：模擬酶的結(jié)構(gòu)和模擬整個(gè)葉綠體/細(xì)胞的功能。本節(jié)將分別通過(guò)模仿生物酶的活性位點(diǎn)和構(gòu)建人工光合成細(xì)胞工廠來(lái)評(píng)述仿生光合成系統(tǒng)的巨大潛力。
模仿生物酶的活性位點(diǎn)
基于從生物酶中提取的構(gòu)效關(guān)系，研究人員致力于通過(guò)化學(xué)合成方法模擬酶的活性位點(diǎn)，這為構(gòu)建真正的人工光合成系統(tǒng)提供了一種有效的策略。生物酶的高活性和選擇性歸因于其活性位點(diǎn)通常是具有特定蛋白結(jié)構(gòu)的配位金屬位點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)具有空間上控制底物分子和反應(yīng)中間體的限域效應(yīng)，以及活化底物分子和穩(wěn)定反應(yīng)中間體的靜電效應(yīng)。因此，分子金屬配合物催化劑成為天然酶的潛在替代品，因?yàn)榕潴w化學(xué)為將酶的特性引入合成化學(xué)催化劑提供了極大的可能。在構(gòu)建人工酶的活性位點(diǎn)時(shí)，限域效應(yīng)和靜電效應(yīng)的協(xié)同作用是決定仿酶催化劑獲得高活性和高選擇性的重要因素。作為一類由無(wú)機(jī)金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)橋連配體組成的多孔分子材料，MOFs為設(shè)計(jì)仿酶催化劑提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。除了構(gòu)建單個(gè)仿酶活性位點(diǎn)，可以通過(guò)MOFs的多級(jí)結(jié)構(gòu)裝載不同活性位點(diǎn)，以構(gòu)建可以進(jìn)行串聯(lián)催化反應(yīng)的仿酶級(jí)聯(lián)催化系統(tǒng)?？傊ㄟ^(guò)掌握催化過(guò)程中生物酶的動(dòng)態(tài)變化和結(jié)構(gòu)特征，化學(xué)合成方法的確可以防造酶的活性位點(diǎn)得到具有類似催化功能的人工酶。然而，完全復(fù)制決定生物酶活性和選擇性的復(fù)雜立體化學(xué)結(jié)構(gòu)將是一項(xiàng)巨大的工程。為此，將高通量機(jī)器人合成與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，可以加速人工酶的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。
構(gòu)建人工光合成細(xì)胞工廠
在自然界中，植物中的葉綠體和光合微生物（如藍(lán)藻）能夠以H2O作為電子供體、CO2作為碳源和光作為能量輸入，可持續(xù)地生成有價(jià)值的化合物。因此，模仿自然的最終目標(biāo)是利用合成生物學(xué)和化學(xué)來(lái)構(gòu)建可以復(fù)制葉綠體和藍(lán)藻結(jié)構(gòu)和功能的人工光合成細(xì)胞工廠。通過(guò)基因工程和酶工程技術(shù)，可以理性設(shè)計(jì)和調(diào)控每個(gè)基因、酶和生物途徑，這為開(kāi)發(fā)高效的人工光合成細(xì)胞工廠以實(shí)現(xiàn)未來(lái)利用太陽(yáng)能大規(guī)模生產(chǎn)燃料和化學(xué)品提供了非常有前景的策略。
總結(jié)和展望
生物學(xué)和光催化的結(jié)合展示了仿生在人工光合成中的巨大成功和潛力。通過(guò)將生物設(shè)計(jì)與材料合成的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，生物雜化體系和仿生系統(tǒng)可以克服自然和人工光合作用的局限性，為向自然學(xué)習(xí)進(jìn)而超越自然提供了巨大的機(jī)遇。開(kāi)發(fā)先進(jìn)的半人工光合生物雜化體系和仿生光催化系統(tǒng)以進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展仍然面臨亟待解決的巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)所有挑戰(zhàn)，未來(lái)的努力需要來(lái)自生物學(xué)、有機(jī)和無(wú)機(jī)合成化學(xué)、材料科學(xué)、催化、光譜和理論計(jì)算等各個(gè)研究領(lǐng)域?qū)＜业墓餐瑓f(xié)作。
首先，深入理解和精確操縱生物–非生物界面是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。合成材料與生物組分之間的界面需要合理優(yōu)化，以確保有效的電荷轉(zhuǎn)移和良好的生物相容性。目前，仍然缺乏對(duì)從細(xì)胞外半導(dǎo)體到細(xì)胞內(nèi)受體的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的深入理解，這阻礙了對(duì)微生物細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移能力的優(yōu)化。因此，應(yīng)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的原位和時(shí)間分辨光譜來(lái)探測(cè)和闡明動(dòng)態(tài)界面電荷轉(zhuǎn)移的本質(zhì)。基于全面的理解，可以通過(guò)改造表面結(jié)構(gòu)以改善其與生物組分的相互作用。同時(shí)，可以對(duì)微生物/酶進(jìn)行基因改造以提高電子轉(zhuǎn)移能力。此外，還應(yīng)探索表面修飾、細(xì)胞保護(hù)生物技術(shù)和基金工程等策略，以提高微生物/酶對(duì)化學(xué)元素和實(shí)際反應(yīng)環(huán)境的耐受性，及改善合成材料的生物相容性。
除了界面問(wèn)題，另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是使用合成生物學(xué)和化學(xué)來(lái)模仿酶和整個(gè)葉綠體/細(xì)胞，以完美復(fù)制其實(shí)現(xiàn)高效和選擇性CO2轉(zhuǎn)化的功能，達(dá)到或超越自然水平。目前，通過(guò)合成化學(xué)模仿生物酶的活性位點(diǎn)已顯示出前景，但尚未實(shí)現(xiàn)C-C偶聯(lián)生成長(zhǎng)鏈（C3+）碳?xì)浠衔?。為了?yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，應(yīng)將更多與生成燃料/化學(xué)品相關(guān)的酶和微生物納入研究中，以篩選出高效的半人工光合成生物雜化體系。同時(shí)，需要原位表征技術(shù)和酶工程來(lái)揭示生物酶中的關(guān)鍵活性基元，利用得到的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)一步指導(dǎo)仿生光合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于多碳產(chǎn)物，組裝多種生物活性組分和合成材料，通過(guò)其協(xié)同作用以模仿酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)生成長(zhǎng)鏈 (C3+) 烴一條有前景的策略。流動(dòng)化學(xué)和微通道反應(yīng)器的出現(xiàn)為高效仿生光合成系統(tǒng)的集成提供了機(jī)遇（圖 3）。將涉及各個(gè)反應(yīng)步驟的反應(yīng)器串聯(lián)起來(lái)，可以構(gòu)建出將CO2轉(zhuǎn)化為多碳產(chǎn)物的人工光合成細(xì)胞工廠。此外，為了避免以低效的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化人工光合成系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器人合成可以大大加速優(yōu)化過(guò)程。
圖 3. 構(gòu)建人工光合成細(xì)胞工廠示意圖
(A) 提取或合成外源基因。(B) 工程化細(xì)菌。(C) 表達(dá)目標(biāo)酶。(D) 篩選出成功表達(dá)關(guān)鍵酶的細(xì)菌。(E) 將工程細(xì)菌富集到微通道反應(yīng)器中。(F) 集成微通道反應(yīng)器以實(shí)現(xiàn)將CO2轉(zhuǎn)化為多碳產(chǎn)品的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。
最后，生物雜化和仿生系統(tǒng)面臨著缺乏經(jīng)濟(jì)可行性和適用性的挑戰(zhàn)。一方面，這些系統(tǒng)通常需要消耗不經(jīng)濟(jì)的犧牲劑。另一方面，大多數(shù)采用的微生物是異養(yǎng)型，需要不經(jīng)濟(jì)的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，例如葡萄糖或蘋(píng)果酸等，以維持CO2轉(zhuǎn)化。為促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)可回收、低成本和生物相容性的犧牲劑，或與具有經(jīng)濟(jì)效益且生物相容性的氧化反應(yīng)耦合。此外，應(yīng)通過(guò)基因工程篩選或創(chuàng)造用于CO2轉(zhuǎn)化的高效自養(yǎng)型微生物。通過(guò)各相關(guān)研究領(lǐng)域的共同努力，基于大自然的靈感將在實(shí)現(xiàn)人工光合作用方面取得前所未有的成功。
論文通訊作者介紹
熊宇杰，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1996年進(jìn)入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班系學(xué)習(xí)，2000年獲化學(xué)物理學(xué)士學(xué)位，2004年獲無(wú)機(jī)化學(xué)博士學(xué)位，師從謝毅院士。在美國(guó)學(xué)習(xí)工作七年后，2011年辭去美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的國(guó)家納米技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施組織首席研究員職位，回到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)任教授。回國(guó)工作以來(lái)，組織了中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)（結(jié)題優(yōu)秀），基于“精準(zhǔn)合成-原位譜學(xué)-理論模擬”三位一體研究范式，發(fā)展復(fù)合與雜化材料體系，探索界面耦合激發(fā)態(tài)下的分子轉(zhuǎn)化機(jī)制，推動(dòng)其在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)人工碳循環(huán)方面的應(yīng)用。迄今為止，在Science等國(guó)際刊物上發(fā)表200余篇論文，總引用25,000余次（H指數(shù)78），入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家榜單和愛(ài)思唯爾中國(guó)高被引學(xué)者榜單。2017年獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助，入選英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士。2018年獲聘長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，入選國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。2012年獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（第三完成人），2014-2016和2018年四次獲中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀導(dǎo)師獎(jiǎng)，2015年獲中美化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)教授協(xié)會(huì)杰出教授獎(jiǎng)，2019年獲英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)Chem Soc Rev開(kāi)拓研究者講座獎(jiǎng)。
高超，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師。目前主要從事無(wú)機(jī)納米材料可控合成設(shè)計(jì)及負(fù)載組裝在太陽(yáng)能化學(xué)轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用研究，通過(guò)結(jié)合無(wú)機(jī)固體化學(xué)與配位化學(xué)，致力于精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和調(diào)控催化位點(diǎn)，優(yōu)化電荷動(dòng)力學(xué)行為和發(fā)展時(shí)間分辨原位表征技術(shù)，在光/光電催化CO2/N2還原、CH4氧化應(yīng)用方面進(jìn)行深入探索。已在國(guó)際高水平學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表40余篇論文，總引用4600余次（H指數(shù)29），以第一作者和共同通訊作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等國(guó)際期刊上發(fā)表論文20余篇。2021年度入選“中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)”會(huì)員，主持國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目等科研項(xiàng)目，參與2項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。
相關(guān)論文信息：相關(guān)研究發(fā)表于Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Chem Catalysis
▌論文標(biāo)題：
Bioinspiration toward Efficient Photosynthetic System: From Biohybrids to Biomimetics
