光驱动纳米生物消耗CO₂，制造环保塑料和燃料

诸平

University of Colorado Boulder Assistant Professor Prashant Nagpal Credit: Casey A. Cass

据科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado at Boulder）2019年6月11日（当地时间）提供的消息，该大学的研究人员开发出了纳米-生物杂化生物体（nanobio-hybrid organisms），能够利用空气中的二氧化碳和氮生产各种塑料和燃料，这是朝着低成本固碳和环保化学品制造迈出了大有希望的第一步。相关研究结果于2019年6月7日已经在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）网站发表——Yuchen Ding, John R. Bertram, Carrie Eckert, Rajesh Reddy Bommareddy, Rajan Patel, Alex Conradie, Samantha Bryan, Prashant Nagpal. Nanorg microbial factories: Light-driven renewable biochemical synthesis using quantum dot-bacteria nano-biohybrids, Journal of the American Chemical Society (2019).  DOI: 10.1021/jacs.9b02549

通过使用光激活量子点激发微生物细胞内的特定酶，研究人员能够创建“活工厂”，以有害的二氧化碳为原来，并将其转化为有用的产品，如可生物降解塑料、汽油、氨和生物柴油等。

“这项创新证明了生化过程的力量，”该研究的第一作者、科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程系助理教授普拉桑特·纳格帕尔(Prashant Nagpal)说，“我们正在研究一种技术，可以提高二氧化碳捕捉能力，以应对气候变化，甚至有一天可能取代塑料和燃料的碳密集型制造。”

该项目始于2013年，当时普拉桑特·纳格帕尔和他的同事们开始探索纳米量子点的广泛潜力。量子点可以被动地注入细胞，并被设计用来附着和自组装所需的酶，然后根据指令使用特定波长的光激活这些酶。

普拉桑特·纳格帕尔想知道量子点是否可以作为一个火种塞，点燃微生物细胞内的特定酶，这些酶有能力转化空气中的二氧化碳和氮，但由于缺乏光合作用，它们无法自然转化。

普拉桑特·纳格帕尔和他的同事们将这些特别定制的点扩散到土壤中常见微生物的细胞中，填补了这一空白。现在，即使是少量的间接阳光照射也会激活微生物对二氧化碳的食欲，而不需要任何能源或食物来进行高能量的生化转化。

普拉桑特·纳格帕尔说:“每个细胞都在制造数以百万计的这种化学物质。我们的研究表明，这些化学物质的产量可能比它们的自然产量高出近200%。”

这些潜伏在水中的微生物会将它们的产物释放到水面，在那里它们可以被撇去并收获用于生产。不同的点和光的组合产生不同的产物:绿色波长使细菌消耗氮和产生氨，而红色波长使微生物以二氧化碳为食，产生塑料。

这一过程也显示出有希望大规模运作的迹象。研究发现，即使微生物工厂连续几个小时被激活，它们也几乎没有显示出衰竭或耗尽的迹象，这表明细胞可以再生，从而限制了循环的需要。

普拉桑特·纳格帕尔说:“我们非常惊讶，它竟然能如此优雅地工作。”“我们才刚刚开始进行合成应用。”

普拉桑特·纳格帕尔说，理想的未来设想是，让单户家庭和企业将二氧化碳排放直接输送到附近的蓄水池，在那里微生物将它们转化为生物塑料。所有者将能够以小额利润出售最终产品，同时基本上抵消他们自己的碳足迹。

普拉桑特·纳格帕尔表示:“即使利润率很低，而且单纯从成本上看，它无法与石化产品竞争，但这样做仍有社会效益。”“如果我们能够改造当地一小部分沟渠池塘，就会对城镇的碳排放产生相当大的影响。它不会要求人们执行太多。例如，许多人已经在家里酿造啤酒，而这并不复杂。”

他说，现在的重点将转移到优化转换过程和培养新的本科生上。普拉桑特·纳格帕尔希望在秋季学期将该项目转化为本科生实验室实验，由科罗拉多大学博尔德工程卓越基金(CU Boulder Engineering Excellence Fund)资助。普拉桑特·纳格帕尔认为，他现在的学生多年来一直坚持这个项目。

“这是一个漫长的旅程，他们的工作是无价的，”他说。“我认为这些结果表明这是值得的。” 更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Living cells do not interface naturally with nanoscale materials, although such artificial organisms can have unprecedented multifunctional properties, like wireless activation of enzyme function using electromagnetic stimuli. Realizing such interfacing in a nano-biohybrid organism (or nanorg) requires (1) chemical coupling via affinity binding and self-assembly, (2) the energetic coupling between optoelectronic states of artificial materials with the cellular process, and (3) the design of appropriate interfaces ensuring biocompatibility. Here we show that seven different core-shell quantum dots (QDs), with excitations ranging from ultraviolet to near-infrared energies, couple with targeted enzyme sites in bacteria. When illuminated by light, these QDs drive the renewable production of different biofuels and chemicals using carbon-dioxide (CO₂), water, and nitrogen (from air) as substrates. These QDs use their zinc-rich shell facets for affinity attachment to the proteins. Cysteine zwitterion ligands enable uptake through the cell, facilitating cell survival. Together, these nanorgs catalyze light-induced air-water-CO₂ reduction with a high turnover number (TON) of ~106-108 (mols of product per mol of cells) to biofuels like isopropanol (IPA), 2,3-butanediol (BDO), C₁₁-C₁₅ methyl ketones (MKs), and hydrogen (H₂); and chemicals such as formic acid (FA), ammonia (NH₃), ethylene (C₂H₄), and degradable bioplastics polyhydroxybutyrate (PHB). Therefore, these resting cells function as nano-microbial factories powered by light.