?物質學院鐘超課題組利用基因工程改造開發出細菌生物被膜/無機納米雜化催化材料

ON2019-09-12CATEGORY科研進展

近日,我校物質學院材料與物理生物學研究部鐘超課題組利用基因工程改造的方法開發出生物被膜,用于負載和固定功能納米材料,并將這種生物被膜/無機納米雜化材料首次應用在環境和能源催化領域。該研究成果以“Immobilization of Functional Nano-objects in Living Engineered Bacterial Biofilms for Catalytic Applications”為題,在知名期刊《National Science Review》上在線發表(DOI: org/10.1093/nsr/nwz104)。

納米材料的尺寸通常在1納米到100納米之間,與傳統的塊狀材料相比,具備更大的比表面積和更多的表面活性位點,因此非常適合設計納米催化劑。然而,在納米催化劑的具體使用過程中,由于其尺寸較小,相應也帶來了較難回收、容易造成二次污染等問題。普適性的解決方案就是對納米催化劑進行固定,然而傳統的固定方法較為繁瑣,并且不具備活體材料的可再生和易于規模化等優點。本研究基于大腸桿菌的生物被膜開發了功能納米材料的負載方法,引入了活細胞本身的可再生和功能可調特性,證明了構建的這種生物被膜/無機納米雜化材料在環境修復和能源催化領域的應用潛力。

在2018年發表的《Advanced Materials》文章中,鐘超課題組報道了基于基因工程改造的具有光感應能力的大腸桿菌,能夠在光照條件下分泌并在胞外組裝功能納米纖維,并能對溶液中的無機納米材料進行時空可控的圖案布陣。在當前的研究當中,研究人員首先對大腸桿菌進行基因工程使其表達、分泌并在胞外組裝帶有組氨酸標簽的淀粉樣蛋白纖維,然后通過“NTA-Metal-His”的金屬配位作用,讓納米催化劑在生物被膜纖維網絡上進行負載和固定。為了證明這種細菌/無機雜化材料的應用潛力,課題組選取了與能源和環境相關的典型催化反應體系,最后實現了三種簡單并適合放大生產并可循環利用的多種催化反應體系:1)通過生物被膜負載的金納米顆粒實現環境污染物---對硝基苯酚的可循環還原降解;2)利用生物被膜負載的量子點實現有機染料---剛果紅的加速光降解;3)利用生物被膜負載量子點的細菌與另外一株攜帶氫化酶的工程菌相互協同實現了光照條件下產氫。

值得一提的是,這樣的細菌/無機納米雜化催化材料體系展現諸多優異的性能:一方面,活體生物被膜作為載體對納米催化劑進行負載,并充分利用了生物體系的優勢如可再生、可規模化和復雜酶體系。另一方面,在胞外的纖維表面固定納米催化劑可以避免催化劑和細胞的直接接觸,減少納米材料對細胞的損傷。此外,在剛果紅降解的反應體系中,由于淀粉樣蛋白存在疏水結構域,可以對溶液中的剛果紅進行富集,從而提高量子點附近的剛果紅濃度,增加剛果紅降解的速率。這項研究不僅表明將活細胞作為催化反應體系引入了生物獨有的特性比如自我再生、環境響應和功能在基因層面可調性,同時結合了生物體系的動態活體特征和納米材料的催化特征,設計了高效和可持續的催化反應體系,為未來解決生物修復、生物轉化和能源方面等難題提供了一種新的方法。

本文第一作者為物質學院2015級博士生王新宇(現已入職上科大博士后)和2017級博士生濮嘉華,鐘超為通訊作者,上科大為第一完成單位。此項研究得到了上科大物質學院米啟兮教授、李濤教授,上科大免疫化學研究所聶焱副研究員和安徽大學朱滿洲教授的幫助。上科大物質學院分析測試平臺、電鏡中心和國家蛋白質中心為本研究的材料表征提供了支持。該研究得到了上海市科委基金和國家自然科學基金的支持。

文章鏈接https://doi.org/10.1093/nsr/nwz104 

基因工程改造的大腸桿菌生物被膜可應用于負載和固定無機納米材料并實現多樣的催化應用