《JACS》中科院先进院王博/于涛：空间区室化的人造光合水凝胶微球！

将二氧化碳转化为葡萄糖、肌醇、蔗糖乃至淀粉——这一长期被认为仅能依赖植物光合作用实现的化学转化过程，如今可借助一颗特殊设计的人造水凝胶微球得以完成。

在人工光合作用领域，实现光催化材料与固碳微生物的高效协同，始终面临三重根本性挑战。其一，环境兼容性问题。光催化产氢需要较为简单的反应介质与牺牲电子供体，而微生物培养则依赖营养丰富的培养基，两者对化学微环境的要求存在本质性差异，直接混合将导致催化剂活性受到抑制或微生物生长受限。其二，光毒性问题。光催化反应依赖强光照以维持较高的产氢速率，而多数天然固碳微生物对光辐射敏感，光照产生的活性氧自由基可造成不可逆的细胞损伤。第三，上下游衔接问题。现有方案多采用蓝藻等光合微生物与异养微生物耦合，通过分泌代谢物（通常为蔗糖）为下游微生物提供碳源。然而，该过程不仅受限于蓝藻自身的光能利用能力，还存在代谢物跨膜运输受限、分解代谢物阻遏以及碳回收率低等问题，同时复杂的代谢物背景还可能干扰下游微生物的催化过程，从而限制光合碳固定与下游多样化产品合成的高效衔接。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所王博研究员、于涛研究员领衔的研究团队，设计了一种空间区室化的人造光合水凝胶微球（Artificial Photosynthetic Hydrogel Microspheres, APHM），以一个模块化的非生物/生物杂化架构同时对上述三重挑战作出了系统性回应。该成果以Artificial Photosynthetic Hydrogel Microspheres as a Versatile Platform for Programmable CO2 Valorization为题，发表于国际化学期刊Journal of the American Chemical Society（JACS）。

困局：光催化剂 与固碳微生物的兼容性鸿沟

材料-微生物杂化系统将CO2转化为高值化学品的核心逻辑在于：光催化材料吸收光能产生电子供体（如氢气），固碳微生物继而利用上述电子供体驱动CO2固定。然而，光催化反应与微生物代谢对反应条件的需求存在多方面对立。光催化产氢倾向于强光照、成分相对简单的反应介质与合适的牺牲电子供体；而微生物培养则需要营养全面的培养基、温和的pH以及严格无氧的环境。若将催化剂直接投加至菌液中，培养基中的复杂组分将对催化活性位点产生显著抑制作用；若将两者分隔于独立反应器中，则氢气从气相到液相的传质过程将构成新的速率限制步骤。

光强需求上的矛盾同样突出。光催化剂在较高光子通量下才能维持可观的产氢速率，然而许多天然固碳菌对光辐射高度敏感——以伍氏醋酸杆菌（Acetobacterium woodii）为例，光照诱导产生的活性氧自由基可在数小时内致其失活。因此，在强光条件下实现持续的光驱动CO2固定，必须以有效的光屏蔽策略保护微生物。

在上述两个兼容性问题之外，尚存在一个更为深层的挑战：光催化模块与生物转化模块之间的化学衔接方式。目前发展较为成熟的蓝藻路线，通过分泌蔗糖等可溶性代谢物为下游异养微生物提供碳源。然而，该模式受限于代谢物跨膜运输效率、分解代谢物阻遏及碳回收率等因素，且光合细胞释放的代谢物种类和组成受到自身代谢网络的限制，复杂的代谢物背景还可能干扰下游微生物的催化过程，因而难以灵活、高效地衔接携带不同合成途径的下游微生物底盘。因此，能否确定一种兼具高效供给性与广泛代谢兼容性的中间体分子，成为打通CO2资源化全链条的关键所在。

基于以上分析，研究团队提出了一个核心假设：利用物理屏障在微观尺度上将光催化反应区与微生物生长区进行空间区室化分隔，同时以氢气作为短程电子传递媒介、以乙酸作为上下游模块之间的化学桥接分子，有望在单一反应体系内同步解决环境兼容、光保护与产物衔接这三重挑战。

图1. 用于可编程CO2增值的人工光合水凝胶微球(APHM)平台示意图

破局：空间区室化策略同时解 决环境兼容与光保护问题

研究团队首先针对环境兼容问题开展了培养基的理性重构。常规A. woodii培养基中包含酵母提取物和硫化钠，这些组分对COF基光催化剂的产氢活性存在显著的抑制作用。通过系统的替换实验，团队确定以二硫苏糖醇（DTT）作为牺牲电子供体，成功配制出兼具微生物代谢支持能力与光催化活性的双功能培养基。在该培养基中，COF/Pt/Cr2O3光催化剂的5天产氢量达到62.0 mmol g-1，较原始培养基条件提升了16倍。

在微球构建层面，团队以海藻酸钠和羧甲基纤维素为基质，通过钙离子交联制备了直径约4毫米的双网络水凝胶微球。微球外壳中均匀分散着COF/Pt/Cr2O3光催化剂，内核则为经高温碳化的三聚氰胺泡沫。该碳化泡沫呈现黑色多孔结构：透射光谱测试表明，其可阻隔超过99%的紫外-可见光，同时对气体分子和营养物质保持通透性。将A. woodii接种至碳化泡沫内核后，外壳中的光催化剂在强光照射下持续产氢，而内核中的细菌则处于有效的光屏蔽环境中——光催化反应与微生物代谢在同一微球的两个空间区室中独立进行。

在60 mW cm-2持续光照的10天运行实验中，活/死荧光染色和胞内活性氧检测均证实内核中的细菌在整个实验周期内维持了良好的生理活性。作为对照，未经碳化泡沫保护的裸露细菌在相同光照条件下48小时内即几乎全部失活。在性能方面，APHM系统在10天内累计产生212.4 mg L-1的乙酸，氢气到乙酸的摩尔转化效率达到88.85%，接近Wood-Ljungdahl代谢途径的理论化学计量比（4 H2 : 1 acetate）。与之形成鲜明对比的是，将光催化剂与细菌简单混合的非区室化对照组，乙酸产量仅为23.7 mg L-1，转化效率仅为7.9%——APHM的空间区室化设计将光-生物耦合效率提升了一个数量级。

拓展：以乙酸为通用中间体，实现一个平台、多种产物的模块化生产

选择乙酸作为光催化模块与下游生物转化模块之间的化学桥接分子，是APHM设计的另一关键考量。与蓝藻路线中种类较为有限的直接代谢产物相比，乙酸具有独特的代谢枢纽地位——它可被多种工业微生物经由乙酰辅酶A合成酶高效吸收，进入中心碳代谢后转化为乙酰辅酶A，进而根据底盘细胞所携带的不同合成途径，定向转化为葡萄糖、肌醇、蔗糖、淀粉等一系列结构各异的高值产物。这一模块化设计赋予了APHM平台显著的产品灵活性：上游的光催化产氢与微生物固碳产乙酸模块保持固定，仅需替换下游的酵母底盘细胞即可实现目标产物的切换。

为验证上述策略的可行性，研究团队将APHM产生的乙酸作为唯一碳源，分别供给多种经过代谢工程改造的酿酒酵母菌株。实验结果表明，携带不同合成途径的酵母均可有效利用APHM来源的乙酸，分别转化为葡萄糖、肌醇、蔗糖和淀粉。与以纯乙酸或乙醇为碳源的对照组相比，APHM来源的乙酸在各产物转化效率上均表现相当，充分证明了该平台所产乙酸具备作为生物炼制通用原料的品质。

总结与展望

本研究通过精巧的空间区室化设计策略，以氢气为短程电子传递媒介、以乙酸为上下游模块间的化学桥接分子，在单一模块化平台中实现了从光能捕获到多种高值产物合成的全链条集成。APHM平台的核心学术贡献在于对人工光合作用领域三项长期挑战的系统性回应：以双功能培养基的理性设计与物理空间分隔解决了光催化剂与微生物的环境兼容问题，以碳化泡沫遮光内核解决了强光条件下的微生物光保护问题，以乙酸作为通用代谢中间体解决了光催化模块与下游生物转化模块之间的化学衔接问题。三个功能模块——光催化产氢、微生物CO2固定与产物转化——在一颗毫米级水凝胶微球中实现了物理上的独立运行与功能上的有序耦合。

与现有基于蓝藻的光合生物制造路线相比，APHM采用的非生物/生物杂化架构有效规避了光合微生物自身光能利用效率的固有限制，同时充分发挥了乙酸作为可编程代谢中间体的独特优势，为CO2资源化利用提供了一条兼具灵活性与拓展性的技术路线。在后续研究工作中，团队将着力探索替代DTT的可持续电子供体体系，以及适用于中性pH和高离子强度环境的新型光催化剂，以期进一步提升该系统的能量转化效率与运行持续性。

图2. 研究摘要

中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所王博研究员、于涛研究员和曾翠平助理研究员为本文共同通讯作者，侯天凤助理研究员、唐同明科研助理、冯渝骅科研助理、央青卓玛博士后为本文共同第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院为本文第一完成单位。

原文链接：https://pubs.acs.org/jacsat/article/doi/10.1021/jacs.6c10649/5251923/Artificial-Photosynthetic-Hydrogel-Microspheres-as