基于绿藻细胞的活性微滴构筑及产氢调控

自组装现象在自然界中广泛存在，小到DNA、蛋白质等生物大分子的有序折叠，大到生命体，如组织器官的精准构筑，无不藉由自组装过程实现某种特定的功能。但是考虑到活体细胞体外稳定性差，如何发展一种温和高效的方法来实现活体细胞的空间有序组装排布，进而构筑一种功能化活性组装体，仍是该领域重要的科学挑战之一。近日哈尔滨工业大学黄鑫课题组与英国布里斯托大学Stephen Mann课题组，提出了一种通过双水相乳液法对绿藻等细胞进行高效捕捉进而实现制备三维多细胞活性组装体的方法，并且创新性地展示了该组装体内多细胞之间的空间协同作用及活体单生物体从光合产氧到光合产氢的功能转变。

图1. 绿藻细胞组装体与绿藻/大肠肝菌复合组装体的制备。

随着信息、生命、医疗、材料等领域的急速发展，基于化学生物角度构筑微纳米基元组装体引起了越来越多研究者的关注，而基于活体细胞构建多细胞组装体在组织工程与细胞治疗等领域中有着广泛应用，因此追求一种稳定、可规模化制备、过程绿色环保的多细胞组装体成为众多研究者们关注的焦点。目前，活体细胞组装体的构建往往采用微流控、皮克林微乳液等方法，制备过程相对复杂、操作条件较为苛刻且生物相容性较差，都在一定程度上限制了其在生命、医疗、能源等领域的应用。为解决上述问题，黄鑫等人利用绿色、温和、无刺激性的双水相系统对绿藻细胞进行捕捉，构筑了一种装载有大量绿藻细胞的微液滴。通过外加渗透压这种温和的物理方式对微乳液进行压缩，从而形成稳定且具有完整规则形貌的绿藻细胞组装体。特别之处在于由于这种绿藻细胞组装体的内部细胞受到外部细胞的遮光影响，其光合作用会相应下降，于是在呼吸作用为主导的体系微环境中氧含量逐渐下降，氢酶被激活，整个组装体实现了从光合作用产氧到产氢的功能转变。

为了进一步提升产氢速率，他们引入了另一种耗氧生物体大肠杆菌，并基于其与绿藻细胞在液滴内的自发组装行为，构建了以绿藻细胞为核，大肠杆菌细胞为壳的具有高度分化行为的多细胞组装体。该复合组装体充分结合了绿藻细胞的光合作用和细菌细胞的呼吸作用，通过在区域上的划分和在功能上的协同，实现了其产氢速率的进一步提升。鉴于其制备过程简易温和，可以有效利用该方法，组合选取不同功能的活细胞作为组装基元发展构筑系列活细胞组装体，从而展现出在生命、医疗以及绿色生物能源等方面的应用潜能。

图2. 绿藻组装体形貌：光学显微镜（左）和扫描电镜（右）。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是哈尔滨工业大学化工与化学学院博士研究生徐志君。

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Photosynthetic hydrogen production by droplet-based microbial micro-reactors under aerobic conditions

Zhijun Xu, Shengliang Wang, Chunyu Zhao, Shangsong Li, Xiaoman Liu, Lei Wang, Mei Li, Xin Huang*, Stephen Mann*

Nat. Commun., 2020, 11, 5985, DOI: 10.1038/s41467-020-19823-5