清華畢業(yè)生構(gòu)建人工光電合成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)全新光電合成途徑，有望改變生物燃料游戲規(guī)則 | 專訪

2005 年，New Scientist  雜志評出自然界十個最偉大的生命創(chuàng)造，光合作用名列第五。

作為長期從事生物能源與生物燃料研究的中國學(xué)者，美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室資深科學(xué)家&課題組長熊偉博士，對光合作用之于生物能源研究的重要意義有著更深刻的體會。

他的團(tuán)隊(duì)最近在 Energy & Environmental Science 發(fā)表的一篇關(guān)于如何改進(jìn)微生物光合作用的論文《外源電子通過藍(lán)細(xì)菌光系統(tǒng) I 高能效驅(qū)動二氧化碳固定》（Exogenous Electricity Flowing through Cyanobacterial Photosystem I  Drives CO? Valorization with High Energy Efficiency），首次將微生物光合作用和微生物電合成相銜接，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的固定。

他說：“在物理世界中，光與電是永恒的主角。人類科技的每一次重要推動，都伴隨著對光與電本質(zhì)認(rèn)知的突破。例如，著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)（Double-slit experiment）讓人類認(rèn)識到光子和電子等微觀粒子的物理本質(zhì)，并促進(jìn)了量子力學(xué)的發(fā)展。在生命的世界里，光與電也是當(dāng)仁不讓的 C 位。光與電的交互產(chǎn)生了光合作用這一造就現(xiàn)今地球生命系統(tǒng)的底層源動力。”

萬物生長靠太陽。作為地球上最主要的能量轉(zhuǎn)換過程，光合作用驅(qū)動了二氧化碳的固定和有機(jī)物的產(chǎn)生。

然而，它的效率也必然受到生物光反應(yīng)系統(tǒng)固有屬性的支配。目前，天然光合作用的能量效率在高等植物中一般小于 1%。單細(xì)胞的藻類或藍(lán)細(xì)菌的光合作用效率略高，但也僅為 3% 左右。

如何從根本上提高光合作用的效率，不僅僅是一個單純的生物學(xué)問題，也有助于人類應(yīng)對能源、糧食、氣候變遷等重大課題。

改造光合電子傳遞鏈

自然界中普遍存在的有氧光合作用是從分解水開始的。水分解產(chǎn)生氧氣，但區(qū)別于電解水，這一生化過程并不產(chǎn)生氫氣。氫而是以質(zhì)子的形式存在，跨膜產(chǎn)生的質(zhì)子梯度可以驅(qū)動三磷酸腺苷（ATP）的生成，為生命活動所用。

同時(shí)水分解產(chǎn)生的自由電子可以順著電子傳遞鏈進(jìn)入光系統(tǒng)的光反應(yīng)中心，然后分別經(jīng)由兩個光系統(tǒng)的激發(fā)，獲得足夠的勢能，進(jìn)而輸送到電子傳遞鏈的末端，驅(qū)動二氧化碳的還原和有機(jī)物的合成。

能否通過改造光電子傳遞鏈從而提高光合作用的效率呢？科學(xué)家其實(shí)已經(jīng)想到了這一點(diǎn)。前沿研究熱點(diǎn)包括：

1.定量工程化兩個光反應(yīng)中心，以匹配電子傳遞與光子激發(fā)；2. 在光系統(tǒng)中安裝全新的光合色素分子從而拓展可利用光能的帶寬等。

熊偉團(tuán)隊(duì)的工作有別于現(xiàn)有研究方向，他們回溯到光合作用的底層邏輯，從光生物學(xué)和電化學(xué)的交叉領(lǐng)域入手，為如何提高光合作用效率提出了全新的思路。

熊偉團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)保留了兩個天然光系統(tǒng)中的一個即光系統(tǒng) I，具有提高光合作用效率的潛在優(yōu)勢。

首先，這一設(shè)計(jì)采用單個光系統(tǒng)，兩個天然光系統(tǒng)之間對光吸收譜段的競爭從而得以解除。

其次，這一設(shè)計(jì)不再需要水作為光合作用的電子來源，因此氧氣也不會經(jīng)由光解水生成，這樣光呼吸作用這一光合作用的競爭途徑，就將缺乏氧氣作為相應(yīng)的原料供應(yīng)。

更重要的是，提供給光合微生物的電子，可以通過光伏太陽能電池產(chǎn)生。光伏太陽能系統(tǒng)和天然光合作用具有互補(bǔ)的太陽能吸收譜段，因此采用人工光合作用和天然光合作用的嵌合體（hybrid），將使得全波段太陽能利用以實(shí)現(xiàn)化學(xué)品制造這一概念成為可能。

為驗(yàn)證這一嶄新的設(shè)計(jì)思路，他和團(tuán)隊(duì)制作了一套電化學(xué)反應(yīng)裝置，將光系統(tǒng) II 缺陷的光合藍(lán)細(xì)菌固定在該裝置的陰極（cathode）上。

期間，他們首次檢測到陰極的電信號能夠伴隨照射到藍(lán)細(xì)菌上 LED 光源的開啟和關(guān)閉而響應(yīng)。這暗示來自陰極的外源電子可以被注入到藍(lán)細(xì)菌的光合電子傳遞鏈中。

接下來，他們通過特異的電子傳遞鏈抑制劑實(shí)驗(yàn)，證實(shí)外源電子的注入的確發(fā)生在光合電子傳遞鏈上。外來電子的注入可精確定位在光系統(tǒng) II 的下游，入口處可能位于電子傳遞鏈上的質(zhì)體醌 (Plastoquinone，PQ) 。

更進(jìn)一步，他們證實(shí)了外接電源以及隨之產(chǎn)生的光電反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的還原和多種長碳鏈產(chǎn)物的生成，包括乙酸和氨基酸等。這一結(jié)論得到了穩(wěn)定同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)、質(zhì)譜與核磁共振等分析手段的驗(yàn)證。

通過估算，這種光電合成是高效的，以這一全新的方式制備乙酸，總能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá) 9%。

熊偉告訴 DeepTech，該研究利用光和電這兩種能量源驅(qū)動二氧化碳固定，在微生物燃料的研究方面這是一次全新的嘗試。

論文提交過程中，審稿人也對完成這一工作所采用的技術(shù)方法提出了很高的評價(jià)。其中一位審稿人認(rèn)為論文配圖描繪的過程非常簡潔，但要實(shí)現(xiàn)這一過程并不容易，具有挑戰(zhàn)性。

研究中，熊偉團(tuán)隊(duì)通過工程化方法，首次把微生物的光合電子傳遞鏈和外接電源相銜接，實(shí)現(xiàn)固碳。

相關(guān)應(yīng)用：藻類生物燃料技術(shù)的新途徑

整個研究的主要目的是想辦法提高光合作用的效率。

基于此，他提出一個生物光電合成的新概念，并通過實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了這一概念的可行性。

這一概念主要有三大優(yōu)勢：

• 其一，由于只采用一個光系統(tǒng)，因此兩個光系統(tǒng)之間對于光吸收的競爭限制就可以被解除，從理論上來講，它對光的利用也會更充分。
  
• 其二，因?yàn)樗荒苓M(jìn)行光合放氧氣，所以光呼吸效應(yīng)也可以在一定程度上得到抑制。
  

• 其三，該系統(tǒng)可以把光伏太陽能電池和天然光合作用進(jìn)行耦聯(lián)。光伏太陽能電池和天然光合作用可以擁有互補(bǔ)的太陽吸收光譜，這時(shí)如果能把兩套系統(tǒng)結(jié)合起來，將光伏電池產(chǎn)生的電能驅(qū)動天然光合作用系統(tǒng)，相當(dāng)于可以實(shí)現(xiàn)對整個太陽能光譜的全譜段利用，那么光合作用效率就有可能大幅提高。
  

此次研究成果，有可能給藻類生物燃料技術(shù)帶來重要的突破，假如光合作用效率能進(jìn)一步大幅提高，藻類燃料商業(yè)化的成本就能進(jìn)一步降低。
攻克光合作用三大局限

熊偉告訴 DeepTech，從知識層面來說，我們知道進(jìn)行光合作用的藍(lán)細(xì)菌可用來發(fā)電，但以前沒有研究能證明藍(lán)細(xì)菌也可利用外加電源來驅(qū)動二氧化碳固定和生物合成，該研究第一次證實(shí)了這種可能。從解決問題的角度來講，主要解決了光合作用目前存在的三個比較大的局限。
第一，因?yàn)楣夂献饔弥荒芾靡徊糠值牟ǘ?，即在整個太陽波譜里它只能利用紅光和藍(lán)光波波段的光（介于 400-700nm 區(qū)間），對于其他波段的光的利用能力幾乎為零。
第二，現(xiàn)有的有氧光合作用主要是靠兩個光系統(tǒng)進(jìn)行，這兩個光系統(tǒng)本身的光吸收譜段是相近的，同時(shí)存在的話，它之間存在競爭關(guān)系，在理論上就會限制光合作用的上限。
第三，有氧光合作用產(chǎn)生氧氣，氧氣可以作為光呼吸反應(yīng)的底物，而光呼吸是最主要的二氧化碳固定的競爭途徑。該研究針對這三個問題，做出了相應(yīng)突破。
可以說，熊偉為藻類生物燃料設(shè)計(jì)并組裝了一套全新的光電合成途徑。這一途徑有望成為生物燃料領(lǐng)域游戲規(guī)則的改變者（Game-changer），并且為提高藻類生物煉制的效率、降低生產(chǎn)成本提供有效、可行的實(shí)施方案。
熊偉告訴 DeepTech，“也許新的設(shè)計(jì)理念能為藻類生物技術(shù)和光合作用研究開啟一扇大門，或是一扇窗。當(dāng)然，即便打開的只是一條縫，我們也倍感欣慰。因?yàn)橹灰硇缘墓饷⒄者M(jìn)來，一條縫也足以窺探整個世界，就像著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)?zāi)菢??！?/span>
在熊偉博士之前的研究中，就藻類生物燃料方面，他們做了很多基因工程和合成生物學(xué)的工作，比如在藍(lán)細(xì)菌中進(jìn)行基因改造，把生物燃料的生產(chǎn)途徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后組裝到藍(lán)細(xì)菌里面。
以乙烯的合成途徑為例，把這些途徑整合在藍(lán)細(xì)菌中之后，他們又做了系統(tǒng)的優(yōu)化，并以穩(wěn)定同位素示蹤和代謝建模的方法，精確量化了整個乙烯的代謝途徑和流量，這些創(chuàng)新成果，發(fā)表在 Nature Plants 上。
而此次研究，是在此前工作基礎(chǔ)上的新突破。“這次我們不僅僅聚焦碳代謝途徑，”他說，“也關(guān)注到了電子傳遞，通過電子傳遞鏈里的一些底層設(shè)計(jì)，把現(xiàn)有系統(tǒng)和電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行合理的重組，希望能從更基本的層面解決生物產(chǎn)品合成效率的問題?！毙軅フJ(rèn)為微生物光電合成將有望成為生物能源競技場中的新玩家。
此次研究屬于合成生物學(xué)和電化學(xué)的交叉領(lǐng)域。熊偉表示，合成生物學(xué)的要義在于，建立人工生物系統(tǒng)（artificial biosystem），讓它們像電路一樣精確運(yùn)行，最終讓生物系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)那些它們本來不具備的功能。
從這種意義上來講，該研究是合成生物學(xué)的一次有益嘗試。通過構(gòu)建出一套新的人工光電合成系統(tǒng)，他希望這一系統(tǒng)能作為一種新的底盤去實(shí)現(xiàn)一種嵌合，即一種生物和非生物的雜合體系統(tǒng)（hybrid system），然后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，譬如，二氧化碳的固定和生物燃料的煉制等。
熊偉其人：曾是國內(nèi)最早開展藻類生物燃料研究的一員

2006 年，熊偉來到清華大學(xué)生物系攻讀博士學(xué)位，導(dǎo)師是吳慶余教授。吳老師主要從事光合微生物技術(shù)的研究。讀博期間，熊偉第一次接觸到微藻生物能源的概念，他的博士課題是研究如何精確量化藻類的代謝途徑和流量，以評估它們制備生物燃料的潛力。

吳慶余老師實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)最早開展藻類生物燃料研究的實(shí)驗(yàn)室，在那里熊偉積累和儲備了相當(dāng)?shù)闹R和科研能力。當(dāng)時(shí)他主要通過穩(wěn)定同位素標(biāo)記和代謝分析，去研究藻類在生物燃料、生物柴油生產(chǎn)過程中的碳流量運(yùn)行。研究過程中還得到了中國科學(xué)院上海植物生理研究所楊琛研究員的指點(diǎn)和幫助。
博士畢業(yè)以后，在吳老師的推薦下，熊偉來到前者在美國的合作教授亞利桑那州立大學(xué)威姆·維馬斯( Wim  Vermaas)教授的實(shí)驗(yàn)室從事博士后工作。維馬斯教授是現(xiàn)任世界光合作用學(xué)會的主席。該實(shí)驗(yàn)室是世界上最早以藍(lán)細(xì)菌這一單細(xì)胞光合細(xì)菌作為模式生物來研究光合作用的實(shí)驗(yàn)室之一。自 20 世紀(jì) 70 年代末延續(xù)至今，成果斐然，享譽(yù)學(xué)術(shù)界。
2013 年，熊偉獲得美國能源部可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室的 Director’s Fellowship，并成為榮獲該獎的首位中國學(xué)者。目前他是可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家和課題組長，他的課題組活躍在微生物合成生物學(xué)和代謝工程的前沿領(lǐng)域。
熊偉非常關(guān)心國內(nèi)的科研進(jìn)展。他課題組的部分中國組員目前正在準(zhǔn)備回國事宜或已在國內(nèi)開展獨(dú)立研究工作。他認(rèn)為現(xiàn)在國內(nèi)條件越來越好，國內(nèi)科研能力也越來越強(qiáng)，可以為廣大海外學(xué)人提供更為廣闊的發(fā)展平臺。