近日，国际权威期刊 Chem 在线发表了武汉大学化学与分子科学学院袁荃教授在无机-微生物杂化体光驱生物催化领域的研究成果，论文题目为“Beyond Natural Synthesis via Solar Decoupled Biohybrid Photosynthetic System”。武汉大学为论文第一署名单位和通讯作者单位，武汉大学化学与分子科学学院2019级博士研究生陈娜、2023级硕士研究生席京以及2021级博士研究生贺天培为论文的共同第一作者，武汉大学袁荃教授、余锂镭教授以及中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究中心张云研究员为论文共同通讯作者。
太阳能作为最丰富的可再生能源之一，对推动可持续社会发展至关重要。通过扩大太阳能的应用，可以有效减少化石燃料的使用，从而降低CO2排放，助力实现碳中和目标。光合微生物能够捕捉太阳光，促进将廉价的二氧化碳（CO2）和水转化为高附加值的长链化合物，这一过程不仅利用了可再生能源，还实现了CO2的固定，形成了一个封闭的碳循环，体现了绿色、环保及可持续发展的理念。
然而，由于光合微生物主要以生存为首要任务，其内部储存的化学能量如NADPH有限，不足以支持在无光照条件下高效合成高附加值的长链化学物质。因此，开发一种能储存大量太阳能的“能量池”，并与光合微生物相结合，确保即使在黑暗中也能持续提供代谢所需能量，对于提高这些微生物全天候固定CO2和进行生物合成的效率非常重要。
持久性光催化剂能够在白天存储由太阳能产生的电子，并在夜间或低光照条件下延迟释放，为光合微生物在黑暗中提供必要的能量。这种具备光催化和电子存储特性的持久性光催化剂，相比传统的光伏/电池系统，提供了更为紧凑且低能耗的全天候解决方案，受到了研究界的广泛关注。通过与持久性光催化剂耦合，光合微生物有可能克服太阳能供应的间歇性问题，在黑暗中也能够高效地固定CO2并进行生物合成，这为光合微生物的工业化应用开辟了新的研究方向。
袁荃/余锂镭教授的研究团队提出了一种创新的策略，即通过使用持续性光催化剂-生物杂化系统来解耦太阳能的时间和空间限制，以此提升光合微生物固定CO2和合成高附加值化合物的效率。该研究采用镓锗酸锌作为持续性光催化剂，并选择了沼泽红假单胞杆菌作为光合细菌模型。研究表明，通过调整缺陷结构，特别是通过镍离子掺杂的方法，可以显著增加光催化剂的能量存储容量。此外，持续性光催化剂与沼泽红假单胞杆菌之间的静电结合，能够上调与光合作用和电子传递相关的基因表达，使光催化剂储存的电子通过电子传递蛋白转移到细菌中，用于再生关键的还原力NADPH，进而提高了CO2固定和番茄红素的生物合成效率。这项研究设计的太阳能时空解耦策略，有望为碳中和领域的发展以及光合微生物高附加值化合物的生物合成提供重要的启示。
该项研究得到了武汉大学科研公共服务条件平台、武汉大学人民医院、武汉大学化学与分子科学学院的支持。该项研究获得了国家科学技术部、国家自然科学基金委、新基石科学基金会、湖北省科技厅、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、武汉大学人民医院交叉创新人才重点资助项目的经费支持。
