全球CO₂排放过量严重威胁生态系统和经济可持续发展，亟需绿色低碳的工业解决方案。天然光合作用中“光驱动电子转移-辅因子再生-碳同化”的级联过程为构建人工光合系统提供了灵感。然而，现有光酶杂化系统仍面临酶稳定性差、辅因子再生选择性低及光电子传递效率不高等挑战。

刘俊秋教授团队受天然光合区室化策略启发，构建了由光催化剂、蛋白笼和活细菌组成的三元协同系统，实现了选择性NADH再生与高效CO₂固定。该系统包含三个功能模块：

1.光诱导电子模块：利用生物矿化合成的硫化镉量子点作为光敏剂，在光照下高效产生光生电子。

2.蛋白笼保护模块：对P22噬菌体来源的蛋白笼进行基因工程改造，使其内部封装甲酸脱氢酶，同时在外表面展示高密度的镉结合肽。该模块既能像“盔甲”一样保护酶免受恶劣环境（如金属离子、极端pH/温度）的侵害，又能作为模板引导CdS量子点的有序形成，并在物理上隔离光催化剂与酶，避免酶活性中心的损伤。

3.微生物代谢模块：将上述杂化系统整合至非光合模式菌株——大肠杆菌内，利用其固有的代谢网络，将光驱动过程与生物合成能力相结合，从而构建了一个高效的“人工光合细胞工厂”（图1）。

图1 三元光催化剂-酶-细菌协同体系下细胞内NADH再生与甲酸光合生物合成的示意图

蛋白笼封装显著提升了FDH的环境耐受性，包括温度耐受性和pH耐受性，且能有效抵抗Cd²⁺毒性（图2）。通过优化光催化体系并引入FNR或Rh-bpy助催化剂，实现了生物活性1,4-NADH的高选择性再生，进而驱动CO₂还原为甲酸。

图2 封装于P22蛋白笼内FDH的体外活性和稳定性

进一步构建的光催化剂-酶-活细菌生物杂化系统，利用活细菌作为光合反应器，实现了细胞内CdS QDs的生物矿化与原位光催化（图3）。该系统利用半胱氨酸作为空穴牺牲剂，在光照下实现了14.21 mM的甲酸产量，相较于无牺牲剂体系，效率提升了378.89%，并且比仅表达游离FDH的菌株产量高出204.45%，实现了6.8倍的CO₂到甲酸的转化效率提升（图4）。该系统还展现出良好的循环稳定性，在三次重复使用后仍能保持78.9%的活性。

图3 生物矿化光敏剂与大肠杆菌内蛋白笼之间的相互作用

图4 活细菌作为光催化反应器，用于CO₂固定

电化学与荧光寿命分析表明，活细菌代谢与光生电子之间存在协同作用，有效促进了NADH再生与CO₂固定。机理研究表明，活细菌内的光生电子不仅可能通过菌体自身分泌的氧化还原介体（如黄素蛋白）间接促进NAD⁺还原，更重要的是，它能够干预并重编程细胞的代谢。光照促进了丙酮酸的积累，并抑制了消耗NADH的乳酸发酵途径，从而将更多的还原力导向FDH催化的CO₂还原反应（图5）。

图5 光催化剂-酶-活细菌生物杂交系统中的光电子-代谢协同机制

本研究成功地将合成生物学与纳米材料科学深度融合，通过仿生区室化设计，构建了一个高效、稳定且可调控的人工光合系统。它不仅为解决酶在异相催化环境中的不稳定性提供了新思路，也为实现光驱动、细菌介导的CO₂资源化利用开辟了新路径。这种模块化的构建策略具有很强的扩展性，未来可通过替换不同的酶催化剂或光敏材料，应用于更广泛的绿色化学生产中，为发展下一代可持续的生物制造技术奠定了坚实的基础。

以上研究成果发表在Advanced Functional Materials上（Adv. Funct. Mater. 2025, e13487）（影响因子IF, 19.0）。课题组联合培养博士后于晓璇为该论文的第一作者，刘俊秋教授和王婷婷副教授为该论文的通讯作者。该研究工作得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金及杭师大科研启动经费等项目的联合资助。

论文链接：

//doi.org/10.1002/adfm.202513487