当考虑如何可持续地生产环保产品时，细菌可能不会立即出现在脑海中。
然而，近年来，科学家们创造了微生物-半导体生物杂交体，将生命系统的生物合成能力与半导体收集光的能力结合在一起。这些微生物利用太阳能将二氧化碳转化为增值的化学产品，如生物塑料和生物燃料。但是能量传输是如何在这样一个微小而复杂的系统中发生的，以及这个过程是否可以改进，目前还不清楚。
康奈尔大学的研究人员开发了一个多模式平台，以单细胞分辨率对这些生物杂交体进行成像，以更好地了解它们的功能，以及如何优化它们以实现更有效的能量转换。
该团队的论文《单细胞多模态成像揭示了生物杂交体中的能量转换途径》发表在《自然化学》杂志上。论文的共同主要作者是博士后研究员付冰和前博士后研究员毛贤文。
该项目由艺术与科学学院Peter J.W. Debye化学教授陈鹏领导。这项工作是与康奈尔大学工程学院史密斯化学与生物分子工程学院教授Tobias Hanrath和博士Buz Barstow合作的一个更大的分支。2009年，农业与生命科学学院生物与环境工程助理教授。
生物杂交研究通常是用大量的细菌进行的——基本上是在一个桶里的大量细胞，彭说——强调增值化学物质的总体产量和细胞的集体行为，而不是实现复杂化学转化的潜在机制。
“生物学是非常多样化的。单个细胞是非常不同的。现在，为了更好地研究它，你真的需要在单细胞水平上测量它，”陈说。“这就是我们的切入点。我们提供了蛋白质行为的定量评估，也提供了电子从半导体到细菌细胞的传递机制的理解。”
该平台将多通道荧光成像与光电化学电流作图相结合，对富营养化Ralstonia细菌进行了调查。该平台能够同时对细胞中的多种蛋白质进行成像、跟踪和定量，同时还能测量电子流，最终将细胞蛋白质特性和电子传递过程联系起来。
研究人员成功地区分了两种类型的氢化酶的功能角色——一种与细胞膜结合，一种在细胞质中溶解——它们有助于代谢氢和驱动二氧化碳的固定。众所周知，可溶性氢化酶对氢的代谢至关重要，但研究人员发现，膜结合氢化酶虽然不那么重要，但实际上促进了这一过程，并使其更有效。
此外，研究人员首次获得了实验证据，证明细菌可以从半导体光催化剂中吸收大量电子。研究小组测量了电子电流，发现它比科学家之前认为的要大三个数量级，这表明未来的细菌菌株可以被设计成提高能量转换的效率。
研究人员还发现，膜结合和可溶性氢化酶在介导电子从半导体到细胞的传递中起着重要作用。同时，电池不仅可以接受电子;它也可以在没有氢化酶的帮助下，以相反的方向将它们吐出来。
该成像平台具有足够的通用性，可以用于研究其他生物-无机系统，包括酵母，以及其他过程，如固氮和污染物去除。
“我们的多模态成像平台很强大，但它当然也有自己的局限性，”陈说。“我们可以成像和研究蛋白质，但我们的方法不允许我们分析小分子组成。因此，人们可以考虑进一步将我们的方法与其他技术结合起来——例如，纳米级质谱——这样它就会非常强大。我们还没到那一步。”
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希望本篇文章《太阳能驱动微生物如何高效转化二氧化碳为生物塑料》能对你有所帮助！
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