刘俊秋教授团队Advanced science上发表液-液相分离介导的光催化亚细胞杂化系统用于高效制氢

近日，我院刘俊秋教授团队在生物光催化领域取得新进展，相关研究成果以题为“Liquid-Liquid Phase separation-Mediated Photocatalytic Subcellular Hybrid system for Highly Efficient Hydrogen Production”发表干国际知名期刊 Advanced Science(IF=16.7)上。

全球能源需求的不断增长与化石燃料的过度使用导致了严重的环境问题，包括温室气体排放、气候变化、酸雨和臭氧层破坏。这些问题对全球经济和社会的可持续发展构成了重大威胁。因此，迫切需要向可再生和清洁能源过渡，以应对当前的能源挑战。太阳能作为一种无限的可再生能源，其转换和利用对于实现可持续化学生产至关重要。氢气作为一种清洁、高效的能源载体，其生产和应用受到了广泛关注。自然光合作用中，植物通过叶绿体高效地将光能转化为化学能，合成碳水化合物并释放氧气。然而，现有的半人工光合作用系统在模拟自然光合作用时面临诸多挑战，如物质交换受限、酶/光敏剂混合的不确定性、反应区域不明确以及潜在的细胞毒性等问题。这些挑战限制了半人工光合作用系统的性能和效率。

近日，我院刘俊秋教授团队报道了一种受到叶绿体的分隔机制和液-液相分离(Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS)现象的启发，开发了一种新的光催化制氢的杂化体系策略，通过在活细胞内利用LLPS技术构建光催化亚细胞混合系统，以提高氢气的产生效率。LLPS是一种细胞内无膜细胞器的形成方式，通过内在无序蛋白的精确有序聚集实现。在本研究中，通过基因工程技术将重组氢化酶(HydA)和蛛丝蛋白(MaSpI8/IDPs)融合蛋白(HM)与量子点(Quantum Dots, QDs)共组装，形成无机-生物亚细胞混合系统(Inorganic-Biological Subcellular Compartments Hybrid System, IBSCS)。该系统在细胞内形成特定的亚细胞区室，促进了高效的电子传递和光能利用，显著提高了H₂产生效率。

研究中，通过基因工程技术将重组氢化酶(HydA)和丝素蛋白(MaSpI8/IDPs)融合蛋白(HM)与量子点(Quantum Dots, QDs)共组装，形成无机-生物亚细胞混合系统(Inorganic-Biological Subcellular Compartments Hybrid System, IBSCS)。该系统在细胞内形成特定的亚细胞区室，促进了高效的电子传递和光能利用，显著提高了氢气产生效率。实验结果表明，光激发的电子直接转移到氢化酶，减少了电子与空穴的复合，提高了光合作用效率。

与裸露的细菌/混合系统相比，IBSCS在氢气产生上显示出近87倍的增长。此外，光催化反应器的细胞内区室显著增强了系统的稳定性，即使在经历五个光催化制氢循环后，细菌仍保持了约81%的氢气产生活性。HM/IBSCS系统在光合作用过程中对细菌的正常代谢功能没有显著干扰。该研究通过LLPS介导的光催化亚细胞混合系统，为半人工光合作用提供了一种新的策略，不仅提高了氢气的生产效率，还增强了系统的稳定性。该系统为可持续能源解决方案的开发提供了新的视角，并为未来的生物合成和能量转换领域提供了更精确、高效和可控的方法。

该论文第一作者为于晓璇博士（杭师大与西工大联培），通讯作者为杭州师范大学刘俊秋教授，孙鸿程副教授。杭州师范大学为第一单位。该工作得到国家自然科学基金，科技部重点研发计划等项目的资助与支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202400097