中国科学院化学研究所王树研究员课题组成功设计并制备了具有优异电荷分离能力且能级匹配的供体-受体型（Donor-acceptor）共轭聚合物纳米粒子（D-A CPNs），利用共轭聚合物优异的光电转换性能和能级匹配的电子传递路径，在光照条件下实现光生电子向大肠杆菌（E. coli）天然代谢途径的定向注入，完成了非光合微生物的光合功能化改造，并加速了生物合成过程，使天然产物苏氨酸生产效率提高了37%；进一步通过D-A CPNs共价连接修饰的苏氨酸脱氨酶的催化转化能力，即可实现将苏氨酸进一步定向催化转化为目标增值化学品2-酮丁酸，反应转化率达53%（图1）。

图1  大肠杆菌/D-A CPNs@Enzyme人工光合生物复合系统示意图

通过纳米沉淀方法，利用疏水性共轭聚合物（MEH-PPV和PFTP）和两亲性PSMA制备了羧基化的D-A CPNs，并对其光电性质进行测试与表征（图2）。最后，将苏氨酸脱氨酶通过氨基和羧基的缩合反应实现与D-A CPNs 的共价连接。根据光谱测试与计算，可以看出MEH-PPV的LUMO能级低于PFTP的LUMO能级，因而PFTP的光生电子可以顺利转移到MEH-PPV的LUMO能级，并抑制光生电子回落到PFTP的HOMO能级。根据MEH-PPV、PFTP及MEH-PPV/PFTP的光电流和荧光寿命测试结果，证实MEH-PPV和PFTP的组装过程有效实现了电荷分离与转移。

图2  D-A CPNs和D-A CPNs@Enzyme的制备与表征

作者通过等温滴定量热法（ITC）和微生物表面电势（zeta potential）测量分别研究了E. coli与D-A CPNs以及D-A CPNs@Enzyme的相互作用，根据实验结果表明D-A CPNs或D-A CPNs@Enzyme与细菌结合的主要驱动力是D-A CPNs或酶表面羧基与带负电荷的大肠杆菌表面的氢键作用。同时，作者还利用扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微成像（CLSM）证明D-A CPNs和D-A CPNs@Enzyme可以很好地吸附定位在细菌表面。

图3 D-A CPNs或D-A CPNs@Enzyme与大肠杆菌的相互作用

作者通过光照下D-A CPNs产生的光生电子实现了大肠杆菌细胞内NADPH含量的定向增强，促进了天门冬氨酸半醛脱氢酶和天门冬氨酸激酶I催化大肠杆菌内的天门冬氨酸生成苏氨酸。相对于比空白组E. coli，所构建的E .coli/D-A CPNs@Enzyme生物杂化系统在光周期为12小时的光-暗循环中累积的苏氨酸含量提高37%，合成的最终产物2-酮丁酸比对照组增加58%。生物合成效率提高主要归因于D-A CPNs在光照射下高效的空穴/电子分离过程以及电子到E .coli的高效注入。该系统的光合利用效率最高可达1.25%，媲美天然植物和藻类的光合作用效率。

图4  E .coli/D-A CPNs@Enzyme生物杂化体系及电子转移机制研究