美国哈佛大学和宾夕法尼亚大学的研究人员合作设计了一种方法，通过将酵母涂在光捕获半导体纳米粒子中来加强酵母中的化学合成过程。左图：酵母细胞（品红色）的模型，其表面附着有半导体纳米颗粒（紫色）。右图：已完成的生物混合系统的扫描电子显微镜分析。图片来源：哈佛大学威斯研究所。

日前，哈佛大学和美国宾夕法尼亚大学的研究团队通过用光捕获半导体纳米颗粒装饰面包酵母细胞的外部，将酵母细胞转变为“小型工厂”，生产出与制药和精细化学品相关的物质。研究人员将半导体碎片充当微小的“太阳能电池板”，将光生电子分流到酵母细胞中，从而将生物合成的自然过程不断加速。除了酵母之外，研究团队认为其技术可以实现“混合和匹配方法”，并且扩展到一系列用于化学处理的细胞系统中。在化工行业中，细菌和真菌大规模的使用为人类提供了一系列的药物和精细化学品，面包酵母（Saccharomyces cerevisiae）就是其中一个非常典型的例子。除了膨化面包外，生物体的复杂新陈代谢使其能够生产在商业上更加有用的物质，包括莽草酸、抗病毒药物达菲的前体和许多其他药物和精细化学品。

使用酵母和其他微生物的问题是提高其产量。由Neel Joshi领导的联合研究团队以及哈佛大学的Junling Guo和MiguelSuástegui博士领导的联合研究团队开始采用最直接的方法：基因改造。研究人员能够设计出一种酵母菌株，能够从葡萄糖（作为酵母主要营养素的糖）中吸收更多的碳原子进入细胞用来构建莽草酸的途径。但是有一个问题就是莽草酸反应也会消耗另一个重要分子NADPH的细胞，这个分子参与氧化还原反应，这是提供能量以驱动生产的关键。这使整个过程自我限制，细胞产生莽草酸的速度越快，“气体耗尽”就越快。事实上，研究人员指出，NADPH的再生是“通过微生物细胞工厂生产代谢物的常见瓶颈”，而不仅仅是酵母菌。

为了克服这个瓶颈，研究小组想到了为细胞提供外部电子源以帮助他们重建NADPH的想法。光捕获半导体似乎是一种自然的选择，研究小组选择了磷化铟（InP）纳米颗粒，它具有直接的带隙，使它们能够从太阳光谱中直接获取能量。原则上，磷化铟颗粒当附着在酵母细胞上并暴露在光线下时，能够作为光生电子的来源，可提高细胞中的NADPH水平，提供更新的能量来保持莽草酸的产生。然而，将这些半导体与微生物一起使用的一个重要挑战是，半导体往往是由可能损害细胞本身的有毒物质制成的。研究人员通过用生物相容的多酚基物质涂覆磷化铟颗粒来克服这一挑战。Junling Guo指出，多酚涂层可以作为胶水“能够将它们附着在酵母细胞表面，同时使细胞与金属的毒性隔离”。

然后研究小组将这些纳米粒子悬浮在面包酵母细胞上，将悬浮液充分混合，以最大限度地发挥纳米粒子与酵母之间碰撞的可能性。最后，他们测试了现在加强的面包酵母细胞在各种光照和黑暗条件下抽出莽草酸的能力。研究人员发现，当暴露在光线下时，他们的混合酵母-磷化铟系统能够比没有光照的混合细胞生出11倍的莽草酸。根据团队负责人Joshi的说法，这表明“从光进入细胞的能量转移非常有效。”

虽然研究人员专门研究酵母和莽草酸，但该团队强调其系统是“模块化生物无机杂化平台”，多酚官能化磷化铟纳米粒子可与其他微生物一起使用，以促进其他化学品的生产。联合研究团队表明，该技术应该“与现有的主要细胞底盘和各种粒子-细胞组合兼容。”事实上Junling Guo认为，这种方法“为未来创造了一个全新的设计空间生物混合技术。”

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