作者：Guangjie Liang, Kaifang Liu, Jia Liu, Liming Liu, Cong Gao*

01 论文信息

论文信息

Guangjie Liang, Kaifang Liu, Jia Liu, Liming Liu and Cong Gao. Designing an intracellular biohybrid system for malate and bioelectricity production in Escherichia coli[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.10.006

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Designing an intracellular biohybrid system for malate and bioelectricity production in Escherichia coli

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 人工光系统助力电能与苹果酸生产

02 背景简介

生物杂合系统作为绿色可持续的合成平台，通过耦合微生物催化与半导体光电特性，实现光驱动生物转化，已应用于生物燃料、精细化学品、生物电能及药物中间体合成。依据半导体在细胞内的空间分布，可分为表面型、周质型、生物膜型及胞内型（intracellular biohybrid system, IBS）。其中，IBS能在胞内直接产生并利用光生电子，显著降低跨膜电子传递的能量损失与扩散限制，从而提高能量利用效率。然而，其应用仍受两方面限制：光生电子通常依赖外源电子供体，增加运行成本；半导体多为蓝光响应材料，光谱利用受限且存在光毒性风险。

针对上述瓶颈，江南大学刘立明教授团队高聪副研究员等人于Green Carbon发表题为“Designing an intracellular biohybrid system for malate and bioelectricity production in Escherichia coli”研究论文，通过强化半胱氨酸合成通路，在大肠杆菌胞内原位构建硫化铅（PbS）纳米颗粒，建立近红外响应的IBS。该体系无需外源电子供体即可实现光生电子产生并驱动还原力再生。进一步地，基于该系统构建微生物燃料电池，实现了光能向电能的持续转化；同时增强胞内NADH再生，提升了苹果酸合成效率。

03 文章简介

胞内生物杂合系统的构建与表征

本研究通过在培养过程中时序添加S²⁻与Pb²⁺，实现了硫化铅纳米颗粒在大肠杆菌胞内的原位生成。高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）及能量色散谱（EDS）分析共同验证了胞内生物杂合系统的构建，并表明该体系具备有效的光捕获能力（图1）。

图1. IBS的构建与验证

胞内生物杂合系统对胞内能量代谢的影响

进一步从还原力与能量状态两个层面评估IBS对细胞内代谢的调控作用。在光照条件下，IBS使胞内NADH/NAD⁺比值提高86.0%。主要原因是PbS纳米颗粒吸收光能后产生光生电子，这些电子被NAD⁺捕获，从而促进NADH的再生。同时，光照条件下胞内ATP水平提高40.7%，其原因可归结为：（1）NADH增加促进更多电子进入呼吸链；（2）ATP合酶相关基因转录水平上调（图2）。

图2. IBS对细胞内能量代谢影响

胞内生物杂合系统强化大肠杆菌电能输出

在功能应用层面，将IBS引入大肠杆菌以实现光驱动的生物电能输出。通过模块化工程策略，对电子传递通路、还原力再生、电子通量及电子穿梭体系进行系统优化，工程菌株的最大输出电压与功率密度分别提升至252.4 mV和314.8 mW/m²，且稳定发电时间可达96 h（图3）。

图3. 利用IBS增强大肠杆菌的生物电输出

胞内生物杂合系统优化大肠杆菌合成苹果酸

此外，将IBS应用于代谢产物合成体系，通过光能驱动NADH再生以强化还原力供给，从而促进苹果酸生物合成。实验结果表明，在光照条件下胞内NADH/NAD⁺比值提高 47.8%；在5 L发酵罐中，工程菌株的苹果酸产量达到28.5 g/L，显示出该体系在细胞工厂中的应用潜力（图4）。

图4. 利用IBS增强大肠杆菌中的苹果酸合成

总结与展望

本研究通过生物合成策略在大肠杆菌胞内构建了具有高效能量再生能力的胞内生物杂合系统。通过强化半胱氨酸合成通路，实现了在无外源电子供体条件下的光生电子产生与还原力再生；该体系进一步赋予细胞光能利用能力，促进生物电能输出，并通过增强胞内NADH再生提升了细胞的苹果酸合成性能。

尽管该系统在生物电与生物制造方面展现出应用潜力，但其性能仍有优化空间。未来可从材料与生物协同优化入手，包括提升电极导电性、增强菌体-电极界面电子传递，以及优化跨膜电子传递过程；同时结合多组学分析、耐受性工程及动态调控策略，以进一步提高苹果酸合成效率。

04 作者简介

高聪 副研究员

江南大学刘立明教授团队高聪副研究员，主要从事塑料单体与有机酸高效细胞工厂的构建与应用。已主持包括国家自然科学基金（面上和青年）、重点研发计划子课题、江苏省自然科学基金在内的国家或省部级课题6项。在Nat Commun、Metab Eng、Green Carbon、生物工程学报等学术期刊发表论文30余篇，授权中国发明专利30余项。研究成果获江苏省科技进步一等奖、中国石油化工联合会科技进步一等奖和江苏省科学技术二等奖。

05 Green Carbon

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