摘要

通过人工光合系统和生物启发光合系统将太阳能转化为化学物质，对帮助解决当前的全球能源和环境问题具有极大的意义。我们开发了一种生物无机混合系统，通过结合光收集半导体、氢化酶催化和整个细菌细胞的自聚集，在有氧条件下进行光催化制氢。我们利用表面-显示系统在原位生物合成生物相容性硫化镉纳米粒子，诱导原本设计用于生物修复的大肠杆菌细胞通过自我光合成产生氢气。我们还在工程大肠杆菌细胞中引入了仿生二氧化硅封装策略，使这一混合系统即使在自然有氧条件下也能连续96小时产生氢气。这种生物混合催化方法可作为太阳能转化为化学产品的通用策略。

引言

化石燃料的过度消耗造成了许多严重的环境问题，如温室效应、全球气候变化、酸雨和臭氧层破坏等，这些问题可能会极大地制约人类的经济和社会发展。要解决这些全球性问题，利用可再生清洁能源是非常可取的。太阳能是地球上最重要的可再生能源，但很难利用。因此，亟需制定战略，利用光合作用捕获太阳能的效率，实现氢气或其他燃料等化学品的可持续生产。以氢气生产为例，在过去二十年中，已经开发出几种创新的无机-生物混合系统，它们结合了光系统I或半导体的光收集能力和氢化酶或金属催化剂的催化能力。其中，King及其同事利用碲化镉(CdTe)纳米晶体/硫化镉(CdS)纳米棒和从乙酰丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)中提纯的[Fe-Fe]氢化酶，开发了一系列高效的生物混合制氢系统。然而，由于这些反应对氧敏感、分离氢化酶的产量低以及贵金属的高成本，这些生物无机杂化系统光催化产生H2的效率有待进一步提高。

整个细菌细胞已被用作生产H2的生物杂化催化剂，以克服生物无机杂化系统中酶和合成催化剂的局限性。利用这种方法，一些研究小组通过将二氧化钛(TiO2)半导体与野生型细菌细胞杂交来生产H2。最近，Honda等人报告的一项重大突破表明，表达氢化酶和成熟酶基因的重组大肠杆菌细胞能够利用TiO2全细胞光催化产生H2。然而，半导体的生物相容性低和氢化酶的不耐氧性限制了这种全细胞系统在实际H2生产中的应用。

研究人员一直在努力优化混合系统，以保护催化活性免受氧应力的影响，从而克服这些限制。值得注意的是，Douglas等人报道了一种用于生产H2的智能自组装生物分子催化剂，该催化剂利用噬菌体P22外壳蛋白来封装和保护耐氧的[NiFe]氢化酶。同时，受仿生矿化的启发，Tang等人开发了一种强大的硅化诱导绿藻系统，用于在有氧条件下可持续地生产光生物H2。受这些开创性研究的启发，我们建议开发一种理想的全细胞光催化制氢系统，该系统包含以下组成部分：(i)生物兼容的光收集无机半导体，(ii)作为生物催化剂的活性工程大肠杆菌细胞，(iii)保护反应不受氧气影响的可靠外壳。在此，我们旨在开发工程大肠杆菌细胞，将CdS纳米粒子的生物合成能力与表面显示的重金属结合蛋白和耐氧型[NiFe]氢化酶的生物催化结合起来。结合整个大肠杆菌细胞的仿生硅封装，生物无机混合系统实现了有氧条件下的光催化制氢(图1)。

图1光驱动空气制氢的表面显示生物混合方法。

材料与方法

氢化酶的体内表达

用表达质粒pET28a/HyaABCDEF转化的大肠杆菌BL21在添加卡那霉素(50微克/毫升)的LB培养基中培养，培养温度为37℃。当600纳米波长处的光密度(OD600)达到0.6时，将培养物转移到含有95%N2和5%H2气体的Coy厌氧室(Coy Laboratory Products Inc.)。在厌氧生长期间，培养物在LB培养基(所有v/v均为1:1000)中补充含有1mM IPTG、1mM(NH4)2Fe(SO4)2和1mM NiCl2的无菌溶液。培养物在室温厌氧条件下搅拌培养12小时。

PbrR蛋白的表面展示和CdS纳米粒子的原位合成

OmpA表达质粒的构建和过表达OmpA-PbrR融合蛋白的方法由Zhao等人先前描述。然后，每隔6小时从LB培养基中离心(4000rpm，10分钟)一次，收获样品细胞，并在分析前用100mM NaCl溶液洗涤至少三次。每个样品中的细胞数量是通过监测OD600确定的。将吸附了CdS的细胞冻干并进行湿灰化。使用ICP-MS对所有样品进行进一步分析，以测量工程大肠杆菌细胞表面生物合成的CdS纳米粒子的数量。诱导12小时后，收获含有生物合成的CdS纳米粒子的大肠杆菌细胞，用于随后的生物产氢分析，以保持最佳活性。

CdS纳米粒子的TEM-EDX分析

所有TEM图像均使用JEOL JEM-2100电子显微镜在200kV的加速偏置电压下记录。镉离子吸附后，将工程电池分散在加倍蒸馏的H2O中。将铜网格上的厚碳膜(20至30nm)浸入溶液中1秒钟，在大气条件下烘干，然后用TEM进行检测。元素分析是通过与显微镜相连的EDX系统进行的。

生物沉淀CdS纳米粒子的特征

光催化MV2+还原试验使用带盖的10毫米石英比色皿和光源(350瓦Xe灯)进行。通过离心(4000rpm，10分钟)从LB培养基中收获含有生物合成的CdS纳米粒子的大肠杆菌细胞。反应体系包括石英比色皿中相同数量的不同半导体[TiO2锐钛矿和合成的游离CdS纳米颗粒]和3毫升100mM tris-HCl(pH7)、150mM NaCl、5%甘油、100mM抗坏血酸和5mM MV2+。向溶液中通入N2气泡30分钟，以除去O2。光照射启动反应，离心并从MV缓冲液中分离出大肠杆菌CdS纳米粒子后停止反应。离心(1000g，1分钟)后立即测量吸收光谱。通过监测OD605，使用摩尔转换系数e=1.3×104M-1cm-1计算所形成的还原MV2+(MV+)的量。还获得了溶液中大肠杆菌-CdS杂化物的紫外-可见光谱。光激发CdS的导带能是利用奈氏方程确定的。