成像显示太阳能微生物如何将二氧化碳转化为生物塑料

当考虑如何可持续地生产环保产品时，细菌可能不会立即浮现在脑海中。然而，近年来，科学家们创造了微生物半导体生物杂交体，将生命系统的生物合成能力与半导体收集光的能力结合起来。这些微生物利用太阳能将二氧化碳转化为增值化学产品，例如生物塑料和生物燃料。但能量传输如何在如此微小、复杂的系统中发生，以及该过程是否可以改进，仍不清楚。

康奈尔大学的研究人员开发了一个多模式平台，以单细胞分辨率对这些生物杂交体进行成像，以更好地了解它们的功能以及如何优化它们以实现更有效的能量转换。

该团队的论文“单细胞多模态成像揭示了生物混合体中的能量转换途径”，发表在《自然化学》上。共同主要作者是博士后研究员傅兵和前博士后研究员毛贤文。

该项目由文理学院PeterJWDebye化学教授PengChen领导。这项工作是康奈尔工程学院史密斯化学与生物分子工程学院教授TobiasHanrath和BuzBarstow博士之间更大规模合作的一个分支。'09年，农业与生命科学学院生物与环境工程助理教授。

彭说，生物杂交研究通常是用大量细菌进行的——本质上是一个桶中的大量细胞——强调增值化学物质的总体产量和细胞的集体行为，而不是实现这一目标的潜在机制。复杂的化学转变。

“生物学是非常异质的。单个细胞非常不同。现在，为了更好地研究它，你确实需要在单细胞水平上进行测量，”陈说。“这就是我们的切入点。我们提供蛋白质行为的定量评估，以及对电子传输如何从半导体到细菌细胞发生的机械理解。”

新平台将多通道荧光成像与光电化学电流测绘相结合来调查富养罗尔斯通氏菌。该平台能够同时对细胞中的多种蛋白质进行成像、跟踪和定量，同时还测量电子流，最终将细胞蛋白质特性和电子传输过程关联起来。

研究人员成功区分了两种氢化酶的功能作用(一种与细胞膜结合，另一种在细胞质中)，有助于氢代谢和驱动CO2固定。虽然已知可溶性氢化酶对于氢代谢至关重要，但研究人员发现膜结合氢化酶虽然不太重要，但实际上促进了这一过程并使其更加高效。

此外，研究人员获得了第一个实验证据，证明细菌可以从半导体光催化剂中摄取大量电子。研究小组测量了电子电流，发现它比科学家之前想象的要大三个数量级，这表明未来的细菌菌株可以通过改造来提高能量转换的效率。

研究人员还发现，膜结合和可溶性氢化酶在介导从半导体到细胞的电子传输中发挥着重要作用。同时，细胞不仅可以接受电子，而且可以接受电子。它还可以在没有氢化酶的帮助下将它们以相反的方向吐出。

该成像平台具有足够的通用性，可用于研究其他生物无机系统(包括酵母)以及其他过程，例如固氮和污染物去除。

“我们的多模态成像平台很强大，但它当然有其自身的局限性，”陈说。“我们可以对蛋白质进行成像和研究，但我们的方法不允许我们分析小分子成分。因此，人们可以考虑进一步将我们的方法与其他技术(例如纳米级质谱分析)相结合，这样它就会非常强大。我们还没到呢。”