混合系统的仿生二氧化硅封装

图3封装混合系统在空气中的光驱动制氢。(A)由仿生聚合物封装的半导体工程大肠杆菌混合系统中的SFD。(B)基于氧微电极测量不同独立封装细胞聚集体中的氧气浓度。(C和D)不同放大倍数下封装细胞聚集体的扫描电镜图像。

我们的下一个目标是在有氧条件下生成半导体-大肠杆菌细胞混合系统，以便更方便地应用。一些生物体通过生物仿生矿化形成了特定的矿物结构，可提供额外的保护和独特的功能。最近，基于逐层组装(LbL)的仿生二氧化硅封装技术被成功用于酵母、藻类和细菌等生物体的细胞表面修饰。受这些开创性研究的启发，我们将这种细胞封装策略引入了我们的半导体-大肠杆菌混合系统，用于在空气中制氢。利用已报道的LbL自组装方法，我们在大肠杆菌细胞上涂覆了阳离子聚电解质聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDADMAC)和阴离子聚电解质聚苯乙烯磺酸钠(PSS)。将表面包被的细胞放入含有50mM硅酸的培养基中，就形成了仿生硅胶包被细胞。根据Tang等人的研究，二氧化硅封装诱导的细胞聚集会导致一种称为空间功能分化(SFD)的特殊现象。在进行SFD时，聚合体外壳和覆盖层的细胞会通过有氧呼吸逐渐消耗氧气，从而为核心中的大肠杆菌细胞创造厌氧环境。因此，核心中的细胞被迫进行无氧代谢，从而保护了所表达氢化酶的催化活性(图3A)。我们使用氧气微电极来检测内部环境，并确认我们封装的大肠杆菌聚集体的微观结构特征(图3B)。在2000微米的聚集体中，由于细胞聚集和有氧代谢，氧气浓度随着探针深度的增加而降低。在聚集体的核心，O2浓度约为零，表明过表达的氢化酶被激活产生氢气(图3B)。扫描电子显微镜(SEM)图像也直观地显示了封装的大肠杆菌聚集体(图3C和D)。封装主要涉及硅酸脱水，硅酸矿化成二氧化硅，作为胶水将单个大肠杆菌细胞聚集成微球。

空气中光驱动制氢

图3(E)在生物杂交系统中连续制氢的测量结果。(F)各种生物杂交系统在有氧条件下产生的氢量测量结果([]表示硅化诱导的聚集)。HydA，[NiFe]氢化酶HyaABCDEF。

最后，我们测量了封装混合系统在有氧条件下产生的H2量。由于大肠杆菌氢化酶对氧的内在敏感性，我们将[NiFe]氢化酶HyaABCDEF质粒转化到工程大肠杆菌中。封装后加入异丙基-b-D-硫代半乳糖苷(IPTG)诱导蛋白质表达。我们对包含大肠杆菌/CdS/氢化酶/MV2+的杂交系统进行了长达96小时的产氢监测，以检验其持续产氢的能力。我们在细胞聚集后立即诱导表达表面显示的PbrR蛋白和重组氢化酶，以延长工程大肠杆菌细胞的活性。在蛋白质过表达18小时后，我们收获了聚集体，并将其重新悬浮在含有100mM NaCl的反应溶液中。虽然系统中存在94.98±5.27μmol氧气，但18小时后H2的产生量显著增加，并在接下来的72小时内稳步增加到0.34±0.01μmol/108个细胞(图3E)。

使用气相色谱法检测不同样品产生的H2量，以检验封装保护催化活性的能力。如图3F所示，在有氧条件下，过表达氢化酶6小时后，封装杂交系统的H2产量显著增加。H2产量稳步增加，36小时后达到0.52±0.01μmol/108个细胞。相比之下，未封装二氧化硅的样品未检测到H2的产生，这表明在有氧条件下H2的产生需要封装。同时，还分析了灭活大肠杆菌细胞或未诱导氢化酶表达的混合样品产生的H2量。不耐受O2的氢化酶的催化活性从硅化诱导的细胞聚集中获益最大。

在有氧条件下，我们测量了细胞封装后添加MV2+的杂交体系的产氢量，以探究还原的MV是否在聚集体中免受O2的影响。如果在细胞封装后加入MV2+，并在反应过程中暴露于有氧条件下，那么杂交体系几乎不产生氢气(图3F)。因此，氢化酶和MV2+在聚合体中都受到了氧气的保护。

在有氧条件下，我们向反应混合物中添加了相同数量的游离CdS纳米粒子，而不是原位生物合成的CdS纳米粒子，以确定生物杂交系统中游离CdS纳米粒子的光催化活性。含有游离CdS纳米粒子的系统产生了0.22±0.02μmol H2/108个细胞，这意味着催化效率低于原位生物合成的CdS纳米粒子。

讨论

解决全球能源和环境问题亟需高效的太阳能-化学转换策略。其中一个重要挑战是通过探索光合作用的基本化学原理，开发简单实用的光合作用系统，以生产氢气或其他燃料。在此，我们开发了一种光催化氢气生物合成策略，该策略基于一种半导体工程大肠杆菌生物杂交系统，该系统封装有生物仿生聚合物，可在有氧条件下发挥作用。与已报道的通过自然代谢途径诱导纳米粒子沉淀的微生物不同，本文应用的表面显示细菌系统促进了模式生物大肠杆菌在温和条件下可控地生物合成生物兼容的CdS半导体。此外，我们的研究结果进一步验证了生物合成CdS半导体的光收集能力。这一策略可应用于其他成熟的生物模式，如芽孢杆菌或酵母，以扩大其应用范围。自聚集的大肠杆菌细胞可保护不耐氧酶的活性，确保该酶在空气中简单温和的条件下进行高效的生物全细胞催化。这种基于细菌表面显示和仿生二氧化硅封装技术的生物无机混合系统将有可能成为方便利用太阳能的另一种方法。