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    文獻分享| 哈工大黃鑫團隊驗證藻類(lèi)細胞的制氫過(guò)程取得重大進(jìn)展

     更新時(shí)間:2024-05-23 點(diǎn)擊量:728

          202344日,哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃鑫團隊在《Nature Communications發(fā)表了一篇題為Algal cell bionics as a step towards photosynthesis-independent hydrogen production的研究論文。該論文揭示了藻類(lèi)細胞仿生學(xué)對非光合作用制氫的重要意義。

     藻類(lèi)細胞產(chǎn)生氫氣的工程化早在1942年就開(kāi)始了,基于利用光能捕獲系統中的電子,在光合電子傳遞鏈的還原端驅動(dòng)氫酶活性。然而,光合產(chǎn)氫是短暫的,通常僅在黑暗-光亮轉換期間持續幾分鐘,因為伴隨產(chǎn)生的光合氧強烈抑制了氫酶的活性。因此開(kāi)發(fā)了基于厭氧發(fā)酵、呼吸增強、營(yíng)養剝奪和耐氧氫化酶基因工程的策略,以消除氧氣產(chǎn)生的負面影響。此外,最近的研究表明,誘導藻類(lèi)細胞聚集,作為在空氣中創(chuàng )造局部缺氧條件的策略是可行的。

     本研究中開(kāi)發(fā)了一種細胞仿生方法,將活體藻類(lèi)細胞與導電聚合物的超薄外殼以及碳酸鈣外骨骼相結合,形成一個(gè)離散的細胞微環(huán)境,能夠持續進(jìn)行光合和非光合作用氫氣。表面增強的藻類(lèi)細胞引起氧氣消耗,并提供結構和化學(xué)穩定性,共同產(chǎn)生了局部缺氧條件和與之相伴隨的氫酶活性,使其可以在空氣中發(fā)生作用。

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     為了證實(shí)外部電子在氧濃度降低情況下的光合反應,作者測量了葉綠素熒光瞬態(tài)曲線(xiàn)和熒光動(dòng)力學(xué)參數,以評估PSII對光能的吸收和捕獲,以及隨后的光合電子轉移過(guò)程。熒光實(shí)驗表明,對于在外部介質(zhì)中添加EYTEOAPPy/CaCO3包被細胞,葉綠素熒光曲線(xiàn)中的Fm增加,表明PSIID1蛋白的活性增強,從而有助于PSII電子受體的更高效率。此外,觀(guān)察到了提高的電子傳輸量子產(chǎn)率(φEo),表明從PSII捕獲的光能更高效地用于隨后的傳遞過(guò)程。結合增強的Sm值,可以推測PQ庫被擴大,更多電子通過(guò)光合作用鏈傳遞。此外,PSII反應中心的密度也增加,如每個(gè)CSm上減少的PSII中心數(RC/CSm)的改善所示。在光系統的特定能量通量方面,對于存在EYTEOAPPy/CaCO3包被細胞,單位激發(fā)截面(CSm)的吸收能量(ABS/CSm)和捕獲能量(TRo/CSm)均得到增強,表明葉綠素吸收了更多光能,然后用于QA的還原。此外,單位CSm的電子轉移能量(ETo/CSm)和還原終點(diǎn)電子受體(REo/CSm)也增加,表明還原的QA與電子傳輸的再氧化改善,并且更多的電子達到了電子傳遞鏈的末端。這些觀(guān)察結果揭示了外部電子參與了小球藻細胞光合作用途徑,并提高了光能吸收、捕獲和傳遞的所有效率。因此,基于吸收(PIabs)、截面(PIcs)和能量轉換(PItotal)的性能指數以及Fv/Fm值均得到了顯著(zhù)改善,表明PPy/CaCO3包被小球藻細胞成功內化了外部電子,并增強了光活性。

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    本研究中熒光實(shí)驗所用的儀器是由北京雅欣禮儀科技有限公司自主研發(fā)的葉綠素熒光(Yaxin-1161G),該儀器是一款對葉綠素熒光動(dòng)力學(xué)過(guò)程實(shí)現全面測量的精密儀器。測量過(guò)程都在人工光源下,最大限度避免了外界雜散光的干擾。以瞬態(tài)熒光方法為基礎,結合調制與非調制的功能形成Yaxin-1161G的測量方法。它是對PS、PS工作狀況進(jìn)行分析的探針性工具,對熒光動(dòng)力學(xué)的快相和慢相均可觀(guān)測。更先進(jìn)的產(chǎn)品已經(jīng)上市,分別有Yaxin-1165植物熒光動(dòng)力學(xué)測量系統和Yaxin-1168藻類(lèi)熒光動(dòng)力學(xué)測量系統。

    文獻分享| 哈工大黃鑫團隊驗證藻類(lèi)細胞的制氫過(guò)程取得重大進(jìn)展

     本研究展示了一種細胞仿生學(xué)方法來(lái)增強綠色氫能的產(chǎn)生,將人工生物氫產(chǎn)生途徑與自然光合作用集成到表面增強的藻類(lèi)細胞中?;诨罴毎途酆衔?/span>/無(wú)機雜化材料主動(dòng)接口的方法,可以提供新的生物強化平臺,并有助于開(kāi)發(fā)新型的細胞活體材料和微生物細胞工廠(chǎng),這些工廠(chǎng)在可持續能源生產(chǎn)和綠色生物制造中具有潛在應用。

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