近期，我校生物工程学院陈修来教授团队在一碳化合物生物利用方面取得重要进展，研究成果“Light-driven conversion of one-carbon compounds to achieve energy-efficient production of chemicals”正式发表于Chinese Journal of Catalysis (IF = 17.7) (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1872206725649059)。
社会与工业的快速发展导致温室气体排放急剧增加，从而加剧了气候变化和极端天气等全球性问题。基于一碳(C1)化合物的生物制造提供了一条绿色可持续的途径，可将二氧化碳(CO2)等C1化合物转化为生物燃料和生物化学品。然而，由于天然C1化合物利用途径效率较低，且能量与还原力供应不足，导致当前C1生物制造的效率仍面临挑战。为了解决上述问题，人工光合系统通过模拟自然界的光合作用，可以实现光驱动C1化合物的生物转化，近年来受到了广泛的关注。
陈修来教授团队通过将硒化镉量子点(CdSe QDs)与大肠杆菌(E. coli)相耦合，构建了一种光驱动的生物杂合系统(LDBS)，旨在实现高效生物转化C1化合物节能生产化学品。LDBS主要由还原力再生模块和C1固定模块组成。在还原力再生模块中，通过在E. coli胞内合成CdSe QDs进行光能捕获，并将其转化为电子。首先，改造了E. coli底盘菌株。通过敲除E. coli的Cd2+外排蛋白(ZNTA)编码基因，实现了Cd2+在E. coli胞内的过量积累。接着，E. coli胞内合成了CdSe QDs。采用“时空耦合”的方式在E. coli中合成CdSe QDs，并通过共聚焦显微镜、高分辨率透射电镜和X-射线能谱分析等手段验证了E. coli胞内合成的CdSe QDs。然后，评估了E. coli胞内自组装CdSe QDs的光电转化特性。通过紫外-可见分光光度计研究了还原力再生模块对光子的吸收能力，发现该模块在400-420 nm处具有吸收峰。利用瞬时光电流分析了还原力再生模块的光生电子能力，发现该模块可产生0.03 μA的光电流。通过分析胞内NADH含量，评估了还原力再生模块用于还原NAD+再生NADH的能力，结果显示，与无CdSe QDs合成的对照组相比，E. coli胞内NADH含量提高了148.1%。在此基础上，通过体内和体外耦合还原力再生模块与NADH依赖型乳酸脱氢酶，在光照条件下乳酸积累量分别提高了156.9%和193.7%，从而进一步验证了还原力再生模块的有效性。在C1固定模块中，借助人工生物固碳路径，即丝氨酸醛缩酶/苹果酸酶(SM)循环，将C1化合物转化为乙酰辅酶A。基于还原力再生模块和C1固定模块，进一步组装构建了LDBS，用于驱动C1化合物生物转化合成C2、C3和C4化合物。采用“即插即用”的方式，组装LDBS与SM循环及其拓展途径，在光照条件下，LDBS能够合成1.2 mmol/L乙酰辅酶A、284.7 μmol/L丙酮酸和385.2 μmol/L琥珀酸，C1化合物利用速率接近了蓝藻和微藻。
综上，该研究构建了一种光驱动生物杂合系统，通过整合还原力再生模块与C1化合物固定模块，实现了光驱动C1化合物生物转化合成多碳化学品。该策略为未来利用C1化合物进行光驱动生物燃料与生化制品生产提供了新型平台。
图形摘要
陈修来教授为论文的通讯作者，我校2023级博士生张健为第一作者。上述研究得到了江苏省自然科学基金(BK20241629)、江苏省合成生物基础研究中心基础研究计划(BK20233003)、江苏省研究生科研与实践创新计划(KYCX24_2583)等项目的资助。
近年来，陈修来教授团队长期从事一碳化合物生物捕集、转化与利用研究，在系统开展一碳化合物生物利用方面取得了系列创新成果。相关研究成果已发表在Nature Catalysis (2022，2021)、Nature Communications (2020)、Energy & Environmental Science (2024)、National Science Review (2026，2025)、Science Bulletin (2026)、Chinese Journal of Catalysis (2026，2024)、Chemical Engineering Journal (2025，2024)等本领域权威期刊。
