让细菌利用太阳能进行化学合成
查字典生物网
2016-01-12
前几天，X-MOL向大家介绍了ACS和CAS统计出来的过去十年中被引用最多前三名的化学文章，加州大学伯克利分校的华人大牛杨培东（PeidongYang）的关于太阳能电池的文章名列榜首。
这项研究利用了在厌氧状态下产生乙酸的细菌Moorellathermoacetica，经改造后，可以将溶液中的镉离子和半胱氨酸转换为不溶性的硫化镉（CdS）纳米粒子，并析出在细胞表面上。当用光线照射时，硫化镉纳米粒子被激发后会释放出电子，然后将这些电子送入细菌体内用于将二氧化碳还原成乙酸。
“我们展示了非光合细菌M.thermoacetica的第一次自光敏化（self-photosensitization），利用硫化镉纳米粒子从二氧化碳制备乙酸，而且其效率和产量可与自然光合作用相媲美，甚至可能超过后者，”杨培东说。
“我们创建的这种细菌/无机半导体混合人工光合作用系统可以通过生物沉淀硫化镉纳米粒子进行自我复制，这些纳米粒子可以作为光收集器，以维持细菌的代谢，”杨培东说。“通过无机化学自动增强生物系统的功能，这开辟了一条新的道路，将生物和非生物性质的组分整合成为先进的下一代‘太阳能至化学品’（solar-to-chemical）转化技术。”
硫化镉是一种热门的具带结构（bandstructure）的半导体，非常适合于光合作用。而M.thermoacetica，既可以作为“传真机”（意思是它可从电极直接进行电子转移），又是一个“产乙酸菌”（意思是它可以以接近90％的光合特异性直接产生乙酸），因此是证明这种混合人工光合作用系统功能的理想生物模型。
光合作用是自然界中的生物收集太阳光，并使用太阳能从二氧化碳和水合成碳水化合物的过程。科学界一直在探索人工版本的光合作用，以清洁、绿色和可持续生产的方式制备化工产品，比如燃料和塑料，来代替目前对石油资源的依赖。杨培东和他的研究小组一直处于人工光合作用技术的最前沿，致力于开发用太阳能进行化学合成的全部潜力。
杨培东说，“通过利用硫化镉纳米粒子诱导M.thermoacetica的自光敏作用，我们在几天的明暗周期中通过光合作用以相对高的量子产率从二氧化碳合成乙酸，验证了一条可自我复制的系统，同时实现‘太阳能至化学品’转化和二氧化碳减量的目标。”
