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钢铁侠告诉你:电磁石心脏+钢铁盔甲。

2019-06-18 14:34:32

超级英雄是怎样诞生的?钢铁侠奉告你:电磁石心脏+钢铁铠甲。

 

(图片来历:http://ent.people.com.cn/GB/8222/86596/121808/121810/7185989.html)

 

俄罗斯公司所推出的军用外骨骼装备(图片来历:http://k.sina.com.cn/article_6709961827_18ff1e46300100cv6s.html?from=mil)

超级兵士是怎样诞生的?俄罗斯人奉告你:军用外骨骼。他们早在2015年就检验配发装备有第二代外骨骼的单兵作战系统,该系统可有用分担兵士身上大约95%的负荷。

看,当人类希望前进自身机能时,想到的第一方案是开“外挂”。

那么当人类对微观生命体的才干不太满意时,会怎样去改造它们呢?除了对微生物进行遗传操作赋予它们新的才干,给它们装备比较特别的“装备”也是可行的方法,比如半导体。

下面我们来看看微生物和半导体的组合能够发作什么火花。

热醋穆尔氏菌+硫化镉=更多能量

第一对组合由出名的华裔化学家与材料科学家杨培东教授的团队“促进”,组合的两头分别是能够固定CO2的非光合微生物热醋穆尔氏菌和半导体材料硫化镉。

(图片来历:UC Berkeley)

太阳能是现在我们所知最大的能量来历,人类主动捕获太阳能首要通过无机的固态材料和生物的光合作用系统。尽管固态半导体光吸收器的捕光功率一般要高于生物的捕光功率,但是将捕集到的光电子转化为安稳的化学能关于非生物的催化剂却不是一件简略的事。光合生物的捕光功率尽管不占优势,但是在将电能转化为安稳的化学能方面很超卓,在将CO2固定成多碳化合物的进程中,光合生物会把收集到的能量储存到多碳化合物的化学键之中。

叶绿体中光合作用的原理图(图片来历:Thomas Hauser et al。,2015,Nature plants)

假设把半导体高效的捕光功用和固碳生物优异的能量转化以及储存才干整合到一同,这种“超级微生物”就能够捕获更多能量了!所以问题就来了:毕竟该选择哪种半导体材料和哪种固碳的微生物?

现在自然界发现的固定CO2的途径一共有6种,我们最了解的光合作用中Calvin-Benson循环尽管固定了大气中大部分的CO2,但是它的固碳和能量功率其实不高。从固碳的角度来看,Calvin-Benson循中直接固定CO2的酶的催化功率仅为每秒2-5个CO2分子,从能效的角度看,关于生长在热带和温带的粮食作物其量子功率一般不逾越1%,而即使是在反应器中培养的藻类也仅为3%左右。

在对不同固碳途径的热动力学进行比较时,一个叫做Wood-Ljungdahl的固碳途径由于其固碳所具有的能量优势崭露头角,在将CO2固定成丙酮酸的进程中, 与Calvin-Benson需求7个ATP和5个恢复力比较,它只需求1个ATP和5个恢复力(恢复力是一类能够作为生物能量载体、传递电子的化合物或许蛋白的总称,常见的包括NADH,NADPH,FMN和FAD)。 该途径能够先将CO2转化成乙酰辅酶A,再转化成乙酸排出体外,而这两种化合物均能够被微生物升级成经济价值更高的化合物,比如一些含有6个碳的酸。

具有这个途径的一种微生物叫做热醋穆尔氏菌(Moorella thermoacetica),这种微生物一同还能够将一种半导体材料硫化镉沉积到自己的表面,这样以来固碳和捕光的政策就都有了,把它们俩组合也是顺利成章的事了。

那这一菌一半导体具体是怎样被结合的呢?具体的进程是在培养热醋穆尔氏菌的时分添加半胱氨酸,作为硫源,再等到它的生长情况比较好的时分将镉离子Cd2+以Cd(NO3)2的方法参与培养基,这时构成的硫化镉(CdS)纳米粒子便会附着到热醋穆尔氏菌的表面,两者构成一个共生体。

这个共生体对光的运用分为两个进程,首先是CdS将从太阳光所吸收的能量转化成电子,这些电子又能促进恢复力[H]的构成,恢复力的构成又会使得CO2能够经由Wood-Ljungdahl途径转化成乙酸,再进一步转化成热醋穆尔氏菌生长所需的各种物质。

热醋穆尔氏菌-硫化镉的反应原理 (图片来历:Kelsey K。 Sakimoto et al。, 2016, Science)

科学家查询了这种共生体的生长情况,发现这种附着了硫化镉的热醋穆尔氏菌能够继续繁殖,它将所固定的CO2中的10%用来长身体,其他90%底子全部转化为乙酸了,从能效的角度看,在仿照太阳光的照射下,共生体的量子功率最大达到了2.4%,逾越了一般植物和藻类年平均量子功率1个数量级。 硫化镉还对热醋穆尔氏菌有保护作用,假设把硫化镉移除,让热醋穆尔氏菌独清闲施加光照的条件下生长,一天之后底子就全部死掉了,培养基中添加硫化镉情况则会有所好转。

未来,科学家的政策一方面是找出更加廉价的材料来替代半胱氨酸构成CdS,拓展可沉积到细菌表面的半导体材料的种类,节约本钱,另一方面则是需求凭仗组成生物学的方法对热醋穆尔氏菌进行改造,尽或许使得毕竟的产品乙酸升级成其它高值化合物的进程也能够发作在菌内。

酿酒酵母+磷化铟=为“劳模”充电

在现代的生物化工行业里,微生物是出产各种化学品的细胞工厂,酿酒酵母和大肠杆菌才是这个领域实在的超级巨星和出产力担任,为它们找到适合的半导体材料或许实践收益更大。

因此这第二个组合是酿酒酵母和另一种半导体材料磷化铟(InP)的故事,是由哈佛大学Neel S。 Joshi教授团队促进的。

生物体内的代谢网络是很凌乱的,简略来看能够分红组成代谢和分解代谢,组成代谢是将相对比较简略的代谢物转化为细胞大分子的进程,这个进程需求能量(ATP)和恢复力(NADH,NADPH,FADH2等),而分解代谢是将细胞内的含能营养物转化成几种底子化合物的进程,这个进程会为细胞供应能量和恢复力。

组成代谢和分解代谢的能量联络 (图片来历:David L。 Nelson et al。, 2013)

让酿酒酵母产更多的莽草酸是促进酿酒酵母和磷化铟最直接的原因。酿酒酵母能够发作燃料、药物、生物材料等化合物,它所发作的莽草酸是一些药物和精细化学品通用的前体化合物。莽草酸算是处于组成代谢途径中的一个化合物,它的组成需求恢复力,而细胞体内恢复力首要是由PPP途径(戊糖磷酸途径)供应的。

莽草酸途径和其它代谢途径的联络(图片来历:Lyndsay E。 Saunders et al。, 2015, Toxics)

PPP途径在细胞内首要起两个作用,除过供应组成代谢所需的恢复力,另一个重要的功用是代谢途径中不同数目碳原子的化合物为体内各种生物分子的组成供应了前体,但是这个途径的一个特点是每作业一次发作恢复力的一同会释放出一个CO2,这就造成了碳的丢掉,导致毕竟能够转化成莽草酸的碳源减少。

葡萄糖-6-磷酸 + 2NADP+ + H2O —> 核酮糖-5-磷酸 + 2NADPH + 2H+CO2

PPP途径总的反应式

考虑到半导体材料能将光能转化成电子,然后再被微生物转化成恢复力,假设能以半导体加光能替代PPP途径为莽草酸的组成供应恢复力,那么就不会浪费剩下的碳源。磷化铟由于能够吸收大部分的太阳能谱,和氧共存时比较安稳以及出色的生物相容性被科学家选中。

酿酒酵母和磷化铟的组装进程 (图片来历:Junling Guo et al。, 2018, Science)

具体的组装进程是先将磷化铟纳米颗粒和多酚组装起来,之后凭仗多酚与细胞壁的彼此作用将磷化铟组装到酿酒酵母细胞表面。之后的检验结果表明,尽管表面组装的这层半导体材料使得酿酒酵母消耗葡萄糖的才干削弱了,但是莽草酸的产率却是有所前进的,这开端证明运用这种“半导体铠甲”的光电转化才干是有用供应恢复力的方法。

除了莽草酸之外,这种半导体铠甲还能在其它什么样的场景下发挥作用呢?在酿酒酵母内有一些生物碱,组成它们或许需求逾越10个依赖于NADPH并且结合在膜上的细胞色素P450氧化恢复酶,增强原力的供应或许也是前进这些化合物的产率的一个可行的战略。

关于这种半导体铠甲,未来的政策一是开发适配大规模运用发酵罐的光源,二是检验将这些半导体铠甲装备给其它劳模微生物,在不同的细胞工厂中去发光发热。

从“超级微生物”到“超级工厂”

以上提及到的两个故事在概念上具有很强的立异性,在实验室的条件下也有必定的可行性。尽管在实验室中运用细胞工厂出产各种化合物不难,但是,生物化工行业的要求是在本钱可控的前提下完结进程扩展,假设在本钱和进程扩展方面的问题解决不了,实践的意义也是有限的。

因此,这种将微生物和半导体材料所构成的杂合系统会对人类社会发作实在的影响吗?科学家们或许还有很长的路要走,这两个方面的问题也是接下来应该极力的方向。

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