基因工程改造的细菌生物被膜助力无机纳米材料的固定和催化

无机纳米材料（1 - 100 nm）由于比表面积较大，具有较多的催化活性位点，因此非常适于用作纳米催化剂。然而纳米级催化剂由于尺寸较小，在使用过程中较难进行回收利用,并易造成二次污染。一个普适的解决方案就是通过纳米催化剂的固定来实现其循环利用。传统纳米催化剂的固定载体如无机材料（如二氧化硅微球）等需要复杂的合成工艺，而生物大分子（如DNA、蛋白纤维和噬菌体纤维）等则难于规模化生产，这些载体同时缺少活体体系的功能灵活、自我再生等特点，因此传统的固定载体实际应用范畴受限较大。近年来将纳米材料直接负载在活细胞表面进行催化的方法得到极大关注，因为这种方法不仅整合了纳米材料和活细胞的优点，同时这种杂化体系已经被证明可以用于生物能源生产或者生物修复方面的应用。然而纳米材料直接与细胞接触会对细胞本身产生毒害作用，并且其结合力较小，因此如何构建纳米材料和细胞之间更为牢固并兼容的界面仍是该种策略的关键。

细菌生物被膜是由细胞外基质包裹的多个细胞的整体结构，在自然界中广泛存在。大肠杆菌生物被膜的主要蛋白成分是淀粉样纳米纤维，其分子生物和自组装机理研究较清楚，前期的研究已经证明大肠杆菌生物被膜可以通过基因工程手段进行改造并赋予其新的功能。基于此，上海科技大学物质学院材料与物理生物学研究部钟超课题组提出利用基因工程改造的大肠杆菌生物被膜来构建基于无机纳米材料和细胞之间的相容界面，并利用此界面成功证明了高效可循环利用的催化反应体系。相关成果以“Immobilization of Functional Nano-objects in Living Engineered Bacterial Biofilms for Catalytic Applications”为题发表在National Science Review上。

在此研究当中，该团队首先利用基因工程方法改造大肠杆菌，使其分泌带有组氨酸标签的淀粉样蛋白纤维，接着利用“NTA-Metal-His”的金属配位化学方法，实现纳米材料在大肠杆菌生物被膜表面的大规模负载。作者将活体材料的优势引入到了纳米催化当中，并选取了与能源和环境密切相关的三个反应进行了实例展示：首先，作者利用生物被膜负载的金纳米颗粒实现了可循环的对硝基苯酚还原反应，并且证明在五个循环之后转化效率仍然维持在80%。

其次，作者利用生物被膜负载的复合结构（金纳米颗粒和量子点）实现了有机染料刚果红的加速光降解反应。在该反应体系当中，两个因素共同促进刚果红光降解速率的提高：其一，生物被膜表面的疏水结构域吸附有机染料，在该反应体系当中，生物被膜对于环境中的刚果红进行了富集，增大了量子点附近的底物浓度，从而提高了催化反应效率；其二，金纳米颗粒和量子点被共同负载于生物被膜表面，由于两者的距离较近，因此会发生从量子点到金纳米颗粒的电荷转移，促进了量子点中的电子空穴分离，从而提高光降解的速率。

最后，在第三个反应体系中，作者利用生物被膜绑定的量子点并结合另外一株表达氢化酶的菌株实现了在光照下能源物质氢气的产生。此外，作者发现在在经过催化反应之后，纳米材料依旧可以稳固的负载在生物被膜表面，同时细胞依然存活并能够再生。

该研究展示了如何将生物体独特的动态特征和功能纳米材料相结合来设计高效、可循环利用的催化反应体系，构建的体系可以用于解决生物修复、生物转化和能源方面的重要问题。考虑到自然界中存在着各种各样不同功能的生物被膜，该研究开发的反应体系起到很好的示范作用，为未来开发更高效、更具工业意义的催化反应打下坚实基础。

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文章信息：

Immobilization of functional nano-objects in living engineered bacterial biofilms for catalytic applications
https://doi.org/10.1093/nsr/nwz104

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