3月10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、合成生物学研究所研究员高翔团队联合南京大学教授王元元团队、上海交通大学教授杨琛团队，在(Nature Sustainability)上发表最新研究成果。团队成功构建出一种人工光合工程细胞，使非光合工业微生物能够直接利用太阳能，驱动废弃碳源向高附加值化学品高效转化，为非粮碳源生物制造和绿色低碳产业转型提供了新的技术路径。

 

 

让工业微生物“直接用光”

 

光是地球生命最初的能量来源。此前有研究表明，植物和藻类等光合生物虽能通过光合作用转化太阳能，但光能利用率通常不足1%；而工业常用的大肠杆菌、酵母等微生物无法直接利用光能，只能依赖光合生物合成的糖等，整体光能利用效率通常低于0.05%。在“太阳能—光合生物—糖—微生物—产品”的传统路径中，大量能量被层层消耗。若能为工业微生物建立直接利用光能的“接口”，生物制造体系的能源效率有望实现根本性提升。

 

围绕这一目标，研究团队创新性地将半导体材料构建为“人工捕光天线”。通过设计零维、一维、二维等不同形貌的半导体纳米材料，系统优化材料光吸收性能，从源头提升光能转化效率。更关键的是，研究人员将二维半导体材料直接送入微生物细胞内部，在细胞内装上“人工捕光天线”。

图 人工光合工程细胞内光电子流，推动废弃碳资源的高效升级转化

 

与传统胞外材料需要电子跨膜传递的方式相比，这种“入胞式”设计显著缩短了电子传输距离，降低能量损耗，使光生电子直接在细胞内部参与代谢反应，实现从“外部供能”向“内部驱动”的转变。工程微生物由此真正具备了直接利用太阳能进行生物合成的能力。

 

提升太阳能生物制造效率

 

在材料创新基础上，团队进一步解析了光电子驱动代谢重构的分子机制。通过代谢组学与转录组学分析，研究人员发现焦磷酸硫胺素（TPP）相关代谢途径在光照条件下显著上调。进一步实验表明，TPP在光生电子向生物能量分子转化过程中发挥关键“桥梁”作用，促进细胞内关键的能量分子（NAD(P)H与ATP）的再生，实现无机光电子与细胞能量分子之间的高效耦合。

 

这意味着，研究团队不仅为非光合微生物安装了“人工捕光天线”，还重构了胞内“电子流通路”，实现太阳能向生物能量分子的精准转化与高效利用，从机制层面夯实了太阳能驱动生物制造的技术基础。

 

构建“细胞内人工捕光天线”

 

在研究试验中，人工光合作用工程细胞成功合成了多种高附加值产品，包括2,3-丁二醇（BDO）、生物塑料PHB和航空燃料α-法呢烯等生物基化学品、生物材料和生物燃料，显示出广泛的产品开发潜力。该细胞能利用海藻提取物甘露醇、秸秆水解液等多种废弃物作为碳源。在5升发酵罐中，以工业糖蜜废水为主要原料，BDO的产量达到30.71克/升，验证了该体系在规模化生产和废碳升级转化方面的应用潜力。

 

“相比传统依赖糖类原料发酵或在体系中自行合成杂合体的生物制造方法，这种新型人工光合工程细胞能够显著减少温室气体排放、降低生产成本，表现出良好的环境可持续性和产业化潜力。”论文通讯作者高翔表示。

 

该研究在细胞内部建立了太阳能向生物能量分子高效转化的通路，实现太阳能与生物制造的深度融合，为可再生能源直接驱动绿色化学品生产提供了新范式。未来，团队将进一步融合合成生物学、材料科学与能源化学优势，拓展CO2、废塑料及工业废水等非粮碳源的高值化利用路径，推动太阳能驱动合成生物制造向高效率、可扩展与可持续方向发展。