張勱，田瑤，郭之旗，王葉，竇廣進(jìn)，宋浩

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072； 2天津大學(xué)合成生物學(xué)前沿科學(xué)中心和系統(tǒng)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

引 言

近百年來，隨著工業(yè)進(jìn)程的高速發(fā)展，不可再生的化石能源濫用嚴(yán)重，導(dǎo)致CO2等溫室氣體過度排放，同時(shí)引發(fā)了嚴(yán)重的能源危機(jī)和各種環(huán)境問題。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，2015 年《巴黎協(xié)定》首次提出全球“碳中和”概念，截至目前已有超過120 個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了自己的碳中和達(dá)成目標(biāo)。其中，將CO2轉(zhuǎn)化為碳基化學(xué)品及能源物質(zhì)，以及使用清潔高效能源替代化石能源成為重中之重[1-3]。

由于自身穩(wěn)定的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能，CO2的活化并不容易[4]，目前工業(yè)常用的幾種將CO2轉(zhuǎn)化為其他碳化合物的方法，如電催化[5-9]、化學(xué)重整[10]等，反應(yīng)條件一般比較苛刻，而且依靠電能的還原反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致額外的能量輸入，如今的電能提供依舊比較依賴于火力發(fā)電，無法完全擺脫化石燃料的污染。氫氣作為高效清潔的新型能源物質(zhì)，近年來逐漸受到青睞。然而，目前制取氫氣的三種主流方法：電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和化石燃料制氫，過程同樣需要大量的能源消耗并造成溫室氣體排放，尚不能滿足綠色化學(xué)以及“碳中和”理念的要求。作為農(nóng)業(yè)氮素來源的合成氨技術(shù)，存在同樣問題。以Haber-Bosch法為代表的人工固氮途徑在鐵催化劑、高溫（500～600℃）、高壓（20～50 MPa）下才可實(shí)現(xiàn)N2的轉(zhuǎn)化，此后改進(jìn)的一系列方法，如Marnellos 等[11]發(fā)明的常壓合成氨手段，也需將電解池溫度加熱到570℃，據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每生產(chǎn)1 t氨，排放約2 t二氧化碳?xì)怏w[12]。因此，如何利用安全清潔、可持續(xù)再生的新能源實(shí)現(xiàn)重要化學(xué)品的合成成為了人們亟待解決的問題。

地球上的能量核心——太陽(yáng)能，由于具有儲(chǔ)量豐富、可再生、分布廣泛、安全、清潔等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被國(guó)際公認(rèn)為未來最具競(jìng)爭(zhēng)性的能源之一。1976年研究人員首次發(fā)現(xiàn)了能直接利用光能，在溫和條件下催化化學(xué)反應(yīng)的半導(dǎo)體材料，并由此開辟出光催化領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)利用太陽(yáng)能安全清潔、綠色可持續(xù)地合成化學(xué)品。近年來，隨著納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，光催化材料在光能轉(zhuǎn)換效率方面得到大幅度提升，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然界的光合作用[13-14]。然而由于光催化材料本身的催化特性，傳統(tǒng)無機(jī)/有機(jī)光催化仍然存在著反應(yīng)特異性較差、產(chǎn)物譜較單一、產(chǎn)物多為低碳簡(jiǎn)單化合物等問題，不能滿足現(xiàn)階段對(duì)靶向高效生產(chǎn)長(zhǎng)鏈高值化合物的需求[15-18]。隨著自然界的進(jìn)化，生物體進(jìn)化出高效的生物酶分子。通過特定的二級(jí)及三級(jí)結(jié)構(gòu)，酶分子可降低催化能壘，調(diào)節(jié)催化方向，完成溫和、高效、高產(chǎn)物特異性的催化過程。與此同時(shí)，成千上萬的酶分子，通過生物體的精密調(diào)控，組成一條條精巧的代謝途徑，可精準(zhǔn)高效地合成各種長(zhǎng)鏈高值化合物[19-21]，這是化學(xué)催化所不可比擬的。

基于此，將光催化和生物催化耦合的光催化-生物雜合系統(tǒng)，近年來逐漸成為研究熱點(diǎn)。該系統(tǒng)利用光催化高效的光能轉(zhuǎn)化性能，將光能轉(zhuǎn)化為高能還原物質(zhì)/電子，為生物催化提供能量和還原力，最終實(shí)現(xiàn)綠色、高效的化學(xué)品合成。根據(jù)生物催化載體的不同，光催化-生物雜合系統(tǒng)可分為光催化-生物酶雜合系統(tǒng)和光催化-微生物雜合系統(tǒng)兩大類，本文以電子傳遞機(jī)制作為劃分依據(jù)，分別對(duì)這兩類系統(tǒng)的作用方式進(jìn)行分類（圖1），詳細(xì)評(píng)述各體系中光生電子的傳導(dǎo)方式，以及存在的優(yōu)缺點(diǎn)和關(guān)鍵問題，最后對(duì)該領(lǐng)域提出了展望。

圖1 光催化-生物雜合反應(yīng)體系分類示意圖Fig.1 Classification of photocatalysis-biological hybrid systems

1 光催化-生物酶雜合系統(tǒng)

光催化-生物酶雜合系統(tǒng)是將光催化和單酶/多酶催化系統(tǒng)耦合，利用太陽(yáng)能為酶催化提供能量和還原力的系統(tǒng)。和光催化-微生物雜合系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)理論上可將轉(zhuǎn)化后的能量和還原力完全用于目標(biāo)產(chǎn)品的合成，避免了維持微生物生存所需的能量損耗，光能轉(zhuǎn)化效率更高。但由于缺乏微生物精巧的代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，酶催化系統(tǒng)在合成復(fù)雜的多碳長(zhǎng)鏈化合物方面有所欠缺，更適用于簡(jiǎn)單化合物的合成。近年來，光催化-生物酶雜合系統(tǒng)在制氫、合成氨和CO2合成低碳化學(xué)品等領(lǐng)域展現(xiàn)出了矚目的優(yōu)勢(shì)[22-27]。

根據(jù)活性位點(diǎn)是否被完全包裹在酶內(nèi)部，光催化向酶分子供給能量和還原力的途徑分為兩種：當(dāng)活性中心裸露在酶分子外部時(shí)，光生電子可以直接被其接收繼而參與氧化還原反應(yīng)；與此相對(duì)的，若活性中心完全被酶分子包裹，無法實(shí)現(xiàn)直接注入的電子就需依賴輔因子作為介體激活氧化還原作用，這兩種情況中后者更為常見?；诖?，光催化-生物酶雜合系統(tǒng)可以分為輔因子介導(dǎo)的間接體系、直接電子傳遞體系以及耦合二者的混合型體系。

1.1 基于輔因子介導(dǎo)的間接反應(yīng)體系

大多數(shù)氧化還原酶的活性位點(diǎn)被掩埋在酶分子內(nèi)部，光催化劑產(chǎn)生的光生電子無法直接抵達(dá)被包裹住的活性中心，因此需要利用輔因子[如NAD(P)H]作為穿梭介體為氧化還原過程提供能量和還原力。然而光催化劑直接還原再生輔因子往往會(huì)部分生成無生物活性的二聚體[NAD(P)2]和1,6-NAD(P)H，導(dǎo)致反應(yīng)效率很低。這主要由于光催化劑和NAD+之間的能帶結(jié)構(gòu)一般不相匹配[28]。因此基于輔因子介導(dǎo)的間接反應(yīng)體系普遍加入助催化劑降低反應(yīng)所需活化能，以實(shí)現(xiàn)具有生物活性的1, 4-NAD(P)H 的高選擇性再生。在各種助催化劑中，最常用的為銠復(fù)合物｛[Cp*Rh(bpy)H2O]2+｝，NAD(P)+的C3原子上的酰胺可與Rh金屬中心實(shí)現(xiàn)配位作用從而進(jìn)行NAD(P)H的高效還原[29]。

Baeg 等[30]將靛紅-卟啉(IP)發(fā)色團(tuán)與石墨烯(CCG)共價(jià)連接而成的光催化劑CCG-IP 與酶的級(jí)聯(lián)反應(yīng)耦合，構(gòu)建出了被譽(yù)為“人工葉片”的CO2固定產(chǎn)甲醇的裝置，光生電子經(jīng)銠復(fù)合物的介導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)NADH 的高效再生，而NADH 則被用于甲酸脫氫酶、甲醛脫氫酶以及醇脫氫酶構(gòu)成的三酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終光照30 min，體系可獲得11.21 μmol/L 的甲醇[圖2(a)]。但這種光催化劑、銠復(fù)合物、NAD+與酶之間游離的體系會(huì)使電子傳遞效率下降，導(dǎo)致體系中的活性氧增多、反應(yīng)產(chǎn)率降低等問題，利用局域效應(yīng)等手段增強(qiáng)有序的電子傳遞成為了改善體系的有效手段。Song等[31]通過將銠復(fù)合物綴合到噻吩修飾的C3N4光催化劑上，構(gòu)建了高度集成的光催化-生物酶雜合系統(tǒng)，光催化劑與銠復(fù)合物的緊密共軛增強(qiáng)光生電子的轉(zhuǎn)移效率，NADH 再生速率可達(dá)9.33 μmol/(L·min)，比起其他同類的游離體系增強(qiáng)了2.33 倍。另外模仿類囊體膜而將甲酸脫氫酶包封入金屬-有機(jī)骨架結(jié)構(gòu)（MOFs）中，這種隔室化方法不僅避免了光反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧造成的生物酶失活，而且采用的MAF-7 這種MOFs 具備的親水性和pH 緩沖能力也為生物催化提供了良好的微環(huán)境，從而體系反應(yīng)9 h，甲酸的產(chǎn)量為16.75 mmol/L，是均相反應(yīng)產(chǎn)物的3.24倍[圖2(b)]。Ji等[32]模擬植物葉綠體，構(gòu)建了卟啉/ SiO2/ Cp * Rh（bpy）Cl 雜化納米粒子（TCPP/SiO2/Rh HNPs）。具體來說，將光敏劑TCPP、NAD+與甲酸脫氫酶均束縛于以SiO2為骨架的納米粒子內(nèi)部，而親水性的銠復(fù)合物則分布在納米粒子外側(cè)，如此構(gòu)建出的高度集成的單位活性結(jié)構(gòu)有效提高了電子傳遞效率，將NADH 的再生率從11%提高到75%，將甲酸產(chǎn)量從15 μmol 增加到100 μmol。另外，集成的雜化粒子結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)銠復(fù)合物、酶和NAD+的低成本簡(jiǎn)便回收，并在重復(fù)利用10個(gè)循環(huán)后仍能保留80%的催化活性，極大降低了應(yīng)用成本[圖2(c)]。

圖2 輔因子介導(dǎo)的間接光催化-酶反應(yīng)體系Fig.2 Indirect photocatalytic enzyme reaction system mediated by cofactor

1.2 基于直接電子傳遞的反應(yīng)體系

雖然很多酶的活性中心都被包埋在內(nèi)部，但是仍然還有部分含血紅素[33]或含黃素[34]的酶，其活性中心暴露在表面，在一定條件下可以直接接收光生電子進(jìn)行酶催化反應(yīng)；另外，光生電子也可以通過注入酶遠(yuǎn)端的鐵硫簇，繼而經(jīng)由酶內(nèi)部鐵硫簇等組成的電子傳遞鏈，最終轉(zhuǎn)移到催化活性位點(diǎn)。目前很多氫化酶[35-36]、甲酸脫氫酶[37]和固氮酶[23]等重要生物酶，都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)行這樣的直接電子傳遞作用。這種直接電子傳遞的作用體系雖然適用的酶較少、應(yīng)用方面較窄，但避免使用昂貴的銠復(fù)合物可以減少轉(zhuǎn)化為NAD(P)H 導(dǎo)致的能量損失，簡(jiǎn)化了反應(yīng)體系的同時(shí)也可以降低反應(yīng)成本。

為了使光生電子有效地注入酶的活性中心，需要將氧化還原電勢(shì)匹配、無生物毒性的光催化劑，限制在酶的活性中心或遠(yuǎn)端接收電子的鐵硫簇附近，一般在20 ?(1 ?=0.1 nm)內(nèi)的電子可以實(shí)現(xiàn)有效傳遞[35]，如此量子點(diǎn)與酶之間需要存在一種相互作用來縮近并穩(wěn)定二者之間的距離，否則激發(fā)的光生電子會(huì)有極大的概率與空穴復(fù)合發(fā)生猝滅，或者無法傳遞到酶分子中而導(dǎo)致反應(yīng)終止。目前的光催化劑-酶直接偶聯(lián)的方法包括靜電、疏水相互作用、共價(jià)修飾或特異性蛋白質(zhì)-氨基酸結(jié)合等[38]。這幾種方法互有利弊，具體來說，光催化劑與酶之間的靜電吸附[24,39]作用廣泛存在，在不對(duì)酶進(jìn)行復(fù)雜工程改造的情況下，通過簡(jiǎn)單的靜電結(jié)合作用，也可能實(shí)現(xiàn)高效的光生電子的向酶反應(yīng)中心的注入。但由于并未專門針對(duì)酶中的氧化還原位點(diǎn)的臨近區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，反應(yīng)效果具有隨機(jī)性，若結(jié)合位點(diǎn)與電子接收位點(diǎn)距離過遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致電子傳遞損失甚至無傳遞作用，此外，除了會(huì)受周圍離子環(huán)境的干擾[40]，長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)中，靜電吸附作用會(huì)變得不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致反應(yīng)中斷。類似地，雖然碳材料以及多環(huán)芳香化合物等，可通過π-π 相互作用與酶分子中的疏水區(qū)偶聯(lián)結(jié)合，但電子傳遞效果同樣存在不確定性。共價(jià)修飾具有最強(qiáng)的結(jié)合作用力，例如由于二苯并環(huán)辛炔（DBCO）與疊氮化物反應(yīng)可生成穩(wěn)定的三唑，在分別利用DBCO 與疊氮化物進(jìn)行修飾后，酶與光催化劑即可實(shí)現(xiàn)高選擇性的結(jié)合[24]。此外，利用偶聯(lián)劑（EDC/NHS）也能實(shí)現(xiàn)光催化劑與酶分子的共價(jià)連接，雖然這類方法具有可操作性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、作用穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但由于進(jìn)行了有機(jī)分子的修飾，可能導(dǎo)致酶活性降低甚至失活。通過合理的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)改造，可在不影響酶活性的前提下，實(shí)現(xiàn)光催化劑與酶的位點(diǎn)特異性結(jié)合，最大限度地保證電子傳遞效率。一般來說，過渡金屬可通過配位作用，與酶分子上修飾的His-tag 結(jié)合[41]，雖然作用效果較穩(wěn)定，且在蛋白質(zhì)分子的3′或5′添加組氨酸并不會(huì)對(duì)酶的活性造成損傷，但同時(shí)意味著蛋白質(zhì)的電子接收位點(diǎn)附近，至少需存在一個(gè)肽鏈的端點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)有效電子傳遞，應(yīng)用存在局限性。此外，可通過將電子接收位點(diǎn)附近的氨基酸誘變?yōu)榘腚装彼?，以巰基結(jié)合作用實(shí)現(xiàn)酶與金納米團(tuán)簇（AuNCs）、銀納米團(tuán)簇（AgNCs）等金屬催化劑的特異性結(jié)合[35]。雖然這類特異性結(jié)合設(shè)計(jì)可達(dá)到最理想的電子傳遞效率，但需要大量的前期準(zhǔn)備工作，包括酶三維結(jié)構(gòu)信息的采集與分析，以及合成生物學(xué)改造等。

Reisner 等[42]引入半人工光電極[43]的概念，構(gòu)建了光電驅(qū)動(dòng)二氧化碳固定的體系，具體來說，是將生物提取的光合系統(tǒng)Ⅱ與固定了光敏染料的半導(dǎo)體結(jié)合，并作為光陽(yáng)極，接受光照并產(chǎn)生光生電子，電子經(jīng)由外電路傳到由二氧化鈦與甲酸脫氫酶（FDH）構(gòu)成的陰極，通過FDH 表面的FeS 簇傳導(dǎo)到FDH 氧化還原催化中心，實(shí)現(xiàn)二氧化碳到甲酸轉(zhuǎn)化。此體系繞過了自然界中的Z-Scheme 和卡爾文循環(huán)的限制，如：光采集效率低及1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）周轉(zhuǎn)率低（1～10 s-1）等，提高了光激發(fā)電子的傳遞效率。雖然表面上看起來是利用電極催化，但其反應(yīng)的能量來源僅為太陽(yáng)能，這種光伏電催化（PV-EC）體系有別于傳統(tǒng)的電催化，避免了火力發(fā)電過程中的污染問題，本質(zhì)同單純的光催化系統(tǒng)（PC）一樣，都是理想的反應(yīng)體系。在將體系進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)后，他們實(shí)現(xiàn)了甲酸脫氫酶（FDH）與金屬氧化物（TiO2）偶聯(lián)完成的CO2的催化還原[圖3(a)][37]，石英晶體微天平（QCM）和衰減全反射紅外光譜（ATR-IR）證實(shí)了FDH 與TiO2表面的高親和力，使得不存在氧化還原介質(zhì)的情況下，也能實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)CO2向甲酸鹽的轉(zhuǎn)化，周轉(zhuǎn)頻率（TOF）約為11 s-1。

圖3 直接電子傳遞的光催化-酶反應(yīng)體系Fig.3 Photocatalytic enzyme reaction system based on directly electron transfer

King 等[44]研 究 了CdTe 納 米 晶（NC-CdTe）和Clostridium acetobutylicum的[FeFe]-氫化酶I（H2ase）之間存在的靜電結(jié)合以及電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。經(jīng)驗(yàn)證光生電子直接從核心納米晶而不是表面陷阱態(tài)，轉(zhuǎn)移到與NC-CdTe 對(duì)接的H2ase 遠(yuǎn)端[Fe4S4]團(tuán)簇，再順勢(shì)傳遞到活性中心實(shí)現(xiàn)質(zhì)子到H2的轉(zhuǎn)化，在單色光下光子對(duì)H2的最高轉(zhuǎn)化效率達(dá)到9%。Reisner 等[45]通過在CDs 表面修飾氨基得到的帶正電荷的CDNMe2，可與[NiFeSe]-H2ase 表面，帶負(fù)電的[Fe4S4]臨近區(qū)實(shí)現(xiàn)靜電結(jié)合，完成光激發(fā)電子向活性中心的傳遞，繼而實(shí)現(xiàn)高效和穩(wěn)定的底物轉(zhuǎn)化與H2合成，而羧基修飾的、帶負(fù)電荷的CDs（CD-CO2H），由于不具備結(jié)合作用，反應(yīng)活性較低。Holá 等[40]通過研究天冬氨酸基碳點(diǎn)和[FeFe]氫化酶自組裝而成的AspCD/CrHydA1 系統(tǒng)，揭示了犧牲電子供體形成的帶電環(huán)境，對(duì)周圍靜電結(jié)合組件間相互作用的顯著影響，具體來說，帶負(fù)電荷的EDTA 可與CrHydA1 的表面正電口袋相互作用，從而妨礙CD（+）顆粒與酶之間的靜電作用。而在TEOA 形成的良好的靜電環(huán)境中，系統(tǒng)在420 nm 光照下，反應(yīng)的外部量子效率可達(dá)到1.7%。Armstrong 等[35]通過將[NiFe]氫化酶中距遠(yuǎn)端[4Fe-4S]和內(nèi)側(cè)[3Fe-4S]10 ? 內(nèi)的表面酪氨酸或蘇氨酸改變?yōu)榘腚装彼?，?shí)現(xiàn)了銀納米簇(AgNCs)的位點(diǎn)選擇性附著，繼而完成光生電子供應(yīng)氫化酶來驅(qū)動(dòng)H2產(chǎn)生的過程。另外將形成的雜合體系負(fù)載在二氧化鈦和石墨氮化碳(g-C3N4)構(gòu)建的支架上形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能有效提高AgNCs 的光生電子-空穴的分離效率，每分子氫化酶每秒能產(chǎn)生40個(gè)H2分子。Harris 等[24]分別在CdS 納米棒與MoFe 固氮酶上修飾巰基-聚乙二醇-疊氮化物和二苯并環(huán)辛炔-馬來酰亞胺，繼而實(shí)現(xiàn)二者的共價(jià)結(jié)合，大大提高了H2產(chǎn)量[圖3(b)]。

Nagpal 等[41]研 究 了AuNCs 與His-tag 修 飾 的 固氮酶之間的電子傳遞作用，His-tag 位于MoFe 固氮酶α 亞基的C 端，與P 簇/FeMo 活性中心之間的距離很近，所以結(jié)合的AuNCs 激發(fā)產(chǎn)生的光生電子可直接注入到P 團(tuán)簇，并轉(zhuǎn)移到FeMo 中心，用于N2固定[圖3(c)]。另外還研究了幾種由于含不同金原子數(shù)，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)差異的AuNCs 的反應(yīng)活性，結(jié)果表明Au22NCs 最適合與固氮酶偶聯(lián)產(chǎn)NH3，而Au15和Au18等由于極低的VB位置并不利于生化反應(yīng)。

除無機(jī)半導(dǎo)體外，有機(jī)配體、發(fā)色團(tuán)以及共軛聚合物等也可應(yīng)用于雜合生物酶體系[46]。生物酶的直接光激活可以消除其對(duì)輔因子與介質(zhì)的需要，某種程度上實(shí)現(xiàn)了體系的簡(jiǎn)化，但同時(shí)也容易造成電子轉(zhuǎn)移效率低和活性氧（ROS）產(chǎn)生等不利影響，關(guān)鍵就在于材料與酶之間的定向結(jié)合能否實(shí)現(xiàn)光生電子的有效轉(zhuǎn)移，要精確地控制這種相互作用并非易事，而且酶的活性、三級(jí)結(jié)構(gòu)也可能在進(jìn)行化學(xué)修飾或與材料結(jié)合后發(fā)生改變。值得一提的是，在研究過程中CDs 由于具有廉價(jià)、低毒和可調(diào)節(jié)的表面化學(xué)修飾等優(yōu)良性質(zhì)，為人們廣泛關(guān)注[47]。總地來說，將光催化和酶催化結(jié)合不僅可促進(jìn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料和增值化學(xué)品，也有望滿足日益增長(zhǎng)的綠色和可持續(xù)化學(xué)需求。

1.3 混合型光催化-生物酶雜合系統(tǒng)

銠基復(fù)合物等電子介體價(jià)格昂貴，且與生物催化劑相比周轉(zhuǎn)頻率(TOFs)低得多[48-50]，此外，為達(dá)到必要的NAD(P)H 生產(chǎn)速率所需的相對(duì)較高濃度的銠配合物會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)失活[51-52]。在自然界中，存在心肌黃酶（DH）、鐵氧還蛋白-NADP+還原酶（FNR）[39,53-54]等一類含F(xiàn)AD/FMN 活性中心的酶，可以實(shí)現(xiàn)NAD(P)H 的合成，催化效率是銠基復(fù)合物的幾倍[55-58]。同時(shí)，此類酶的活性位點(diǎn)有些直接暴露在表面，可直接結(jié)合光催化劑獲得光生電子，高效率再生NAD(P)H。這種耦合了直接電子傳遞與輔因子介導(dǎo)兩種作用而成的混合型光催化-生物酶雜合系統(tǒng)，同樣繼承了兩方的優(yōu)勢(shì)，不僅應(yīng)用面廣泛、適用于活性中心暴露或不暴露兩種類型的氧化還原酶，而且避免了銠復(fù)合物對(duì)生物酶的毒害作用、降低成本的同時(shí)提升了TOFs。截至目前，人 們 已 從 例 如Termotoga maritima[59]、Geobacillus stearothermophilus[60]、Bacillus subtilis[61]和Clostridium kluyveri[56]等微生物中，獲得了不同種類的心肌黃酶。King 等[39]報(bào)道了利用硒化鎘量子點(diǎn)（CdSe），和Fd（鐵氧還蛋白）依賴的FNR 構(gòu)建的雜合系統(tǒng)（圖4），表面覆蓋硫基丙酸（MPA）的量子點(diǎn)在Fd 結(jié)合位點(diǎn)上表現(xiàn)出特異性吸附。光照下NADP+還原為NADPH，平均TOF 為1440 h-1，在NADPH 作用下乙醛經(jīng)醇脫氫酶催化實(shí)現(xiàn)到乙醇的轉(zhuǎn)化，NADPH和乙醇的量子產(chǎn)量均為5%～6%。

圖4 混合型光催化-生物酶雜合系統(tǒng)[39]Fig.4 A mixed photocatalysis-enzyme hybrid system[39]

1.4 維持生物酶活性的策略

由于光催化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的ROS，易導(dǎo)致酶失活，極大地限制了光催化-生物酶雜合系統(tǒng)的發(fā)展，所以如何在光反應(yīng)中維持生物酶的活性成為了人們亟待解決的問題。加入適當(dāng)?shù)碾娮訝奚w，以防止空穴氧化生成ROS 是最基本的手段，此外，促進(jìn)高效的靶向電子傳遞作用，也是避免ROS 大量生成的途徑之一。加入共/助催化劑（如CDs 或銠復(fù)合物等），可以促進(jìn)對(duì)空穴或光生電子的捕獲[62]，從根源上減少ROS生成。另外，采用固定化酶手段，將游離酶包裹在MAF-7、ZIF-8 等MOFs材料中[31]，將其與ROS隔絕，可在一定程度上保護(hù)生物酶活性。Jiang 等[63]制備了內(nèi)部附有TiO2膜的SiO2涂層，并將醇脫氫酶（ADH）和光催化劑CdS 分別固定在其外表面和內(nèi)表面，利用NAD+/NADH 在TiO2膜間的穿梭作用，實(shí)現(xiàn)了光催化與酶催化的隔室化反應(yīng)，SiO2涂層可使ADH 免受光照傷害，并通過物理限制防止光催化產(chǎn)生的ROS 影響ADH 的活性。最后，通過額外加入過氧化氫酶（CAT）[64]、超氧化物歧化酶（SOD）等ROS 酶，實(shí)現(xiàn)ROS 的降解，一些具有類SOD、CAT 活性的物質(zhì)如錳卟啉結(jié)構(gòu)、鉑納米粒子等[65]，也可被用于消除ROS，維持生物酶活性。

除了ROS，為盡可能維持生物酶在體外反應(yīng)的活性，需要對(duì)緩沖液的類型[66]、光強(qiáng)、反應(yīng)溫度、壓力等條件進(jìn)行優(yōu)化，并且還要考慮產(chǎn)物濃度對(duì)酶活性的影響。例如利用FDH 固定CO2合成甲酸時(shí)，過高的甲酸含量可能會(huì)導(dǎo)致pH 降低，影響酶活性。此外，體系中產(chǎn)物濃度的提高也會(huì)阻礙正反應(yīng)的進(jìn)行。因此，實(shí)現(xiàn)體系中產(chǎn)物的及時(shí)轉(zhuǎn)移，即反應(yīng)分離一體化，也是維持酶反應(yīng)活性的策略之一。膜分離技術(shù)由于具有反應(yīng)條件溫和、無須引入其他物質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，不會(huì)對(duì)生物酶活性造成損傷，可用于酶發(fā)酵體系中產(chǎn)物的原位分離，裝置可分為內(nèi)置式與外置式兩種，雖然可以在一定程度上解除產(chǎn)物濃度過高對(duì)酶活性造成的抑制，但是膜的高成本，與膜堵塞、污染等問題也會(huì)增加反應(yīng)成本。除了提高酶活性，固定化技術(shù)也可用于酶的回收利用與連續(xù)發(fā)酵。通過包埋、吸附、共價(jià)結(jié)合、交聯(lián)和親和等作用[67]，可將酶約束在反應(yīng)器中并限制其自由流動(dòng)，繼而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物與酶的連續(xù)分離，保證酶在連續(xù)發(fā)酵過程中的活性不受產(chǎn)物濃度影響。

2 光催化-微生物雜合系統(tǒng)

光催化-微生物雜合系統(tǒng)是用微生物作為生物催化載體，利用太陽(yáng)能為微生物代謝提供能量和還原力的系統(tǒng)。由于微生物具有精巧的代謝途徑，就為合成各種高碳化合物提供了可能性，同時(shí)由于微生物具有一定的膜保護(hù)及自我調(diào)控能力，在體系抗逆性與穩(wěn)定性方面相對(duì)酶體系更具有優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，微生物為維持必要的生長(zhǎng)代謝，需要消耗部分能量和還原力，導(dǎo)致光-產(chǎn)物轉(zhuǎn)化效率降低。但在高值化學(xué)品的綠色合成方面，光催化-微生物雜合系統(tǒng)仍具有極大發(fā)展優(yōu)勢(shì)及潛力[68]。在合成生物可降解塑料PHB、長(zhǎng)鏈脂肪酸等復(fù)雜化合物時(shí)，由于反應(yīng)步驟煩瑣，導(dǎo)致所需的酶種類過多，而目前多酶級(jí)聯(lián)體系的構(gòu)建依舊面臨很大挑戰(zhàn)，不僅存在酶的純化工藝復(fù)雜、體外反應(yīng)的穩(wěn)定性較差等問題，產(chǎn)率也會(huì)隨步驟增多而顯著下降。但微生物由于內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)化出天然的代謝網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)激機(jī)制，一般情況下，選擇合適的底盤菌就能得到完整的產(chǎn)物合成通路，且無須外部添加輔因子、ATP等生物反應(yīng)的必需分子，而是由“細(xì)胞工廠”進(jìn)行自發(fā)地合成及調(diào)配。

基于催化劑與微生物耦合方式的不同此系統(tǒng)可分為兩大類，即胞外光催化劑的供能體系以及注入到胞質(zhì)內(nèi)的光催化劑供能體系，而前者根據(jù)電子傳遞機(jī)理的不同又可分為直接電子傳遞與化學(xué)物質(zhì)介導(dǎo)兩種。

2.1 基于直接電子傳遞的胞外能量供給模式

基于直接電子傳遞的微生物雜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于微生物表面存在能直接接收電子的物質(zhì)[71-74]，或是利用膜上氫化酶直接完成H2的生成，或是通過如鐵氧還蛋白、黃素蛋白、細(xì)胞色素、OMCB等導(dǎo)電蛋白[75-77]或?qū)щ姳廾葘?shí)現(xiàn)電子向胞內(nèi)的引入。例如膜上含有導(dǎo)電蛋白的微生物包括希瓦氏菌（Shewanella）[78]、地桿菌（Geobacter）[79]等，可以實(shí)現(xiàn)電 子 跳 躍；而 鼠 孢 菌（Sporomusa）[80]、穆 爾 氏 菌（Moorella）[15]、梭菌屬（Clostridium）[81]等，可通過膜上氫化酶接收電子直接實(shí)現(xiàn)氫氣生成，而合成的氫氣也可通過介導(dǎo)途徑為胞內(nèi)提供還原力[82]；另外本身含有光合系統(tǒng)（PS）的微生物如紅假單胞菌（Rhodopseudomonas）[63]則可通過PS 及電子傳遞鏈（PET）的作用接收外源電子，促進(jìn)光合作用[83-85]。

Sakimoto 等[15]通過在非光合細(xì)菌Moorellathermoacetica表面自沉淀CdS納米顆粒，使非光合微生物具有光敏性。在這個(gè)系統(tǒng)中，Moorella thermoacerica通過代謝半胱氨酸產(chǎn)生S2-，其與外加的Cd2+反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了沉淀于微生物膜表面的CdS 納米粒子的合成。在M. thermoacetica-CdS 雜合系統(tǒng)中，光生電子可以直接傳遞到M.thermoacetica的胞內(nèi)并提供還原當(dāng)量，利用Wood-Ljungdahl 途徑來還原CO2生產(chǎn)乙酸，并隨著微生物的繁殖，膜外CdS 納米粒子也可進(jìn)行再沉淀作用，表明體系具有動(dòng)態(tài)組裝及自我修復(fù)能力。他們后來又通過瞬態(tài)吸收(TA)光譜和時(shí)間分辨紅外(TRIR)光譜，針對(duì)此雜合系統(tǒng)的電子傳遞過程進(jìn)行了系統(tǒng)性研究[圖5(a)][84]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雜合體系的電子轉(zhuǎn)移可能存在兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的途徑：直接注入到膜上可接收電子的受體蛋白如Fd、Fp等，實(shí)現(xiàn)ATP的合成并直接還原CH2-THF；而隨著反應(yīng)進(jìn)程，氫化酶的表達(dá)量會(huì)增加，動(dòng)力學(xué)顯示電子更傾向于與膜上氫化酶或其他分子受體作用生成H2，再通過HydABC 復(fù)合物的作用進(jìn)入Wood-Ljungdahl 途徑。Qiao 等[86]針對(duì)此雜合系統(tǒng)的全局蛋白組和代謝物進(jìn)行了詳細(xì)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前提出的反應(yīng)機(jī)理相符合，明確了光催化劑對(duì)微生物造成的代謝改變，Wood-Ljungdahl 途徑被激活。與之類似的還有Jin 等[81]的研究結(jié)果，證明了Clostridium autoethanogenum與CdS 納米顆粒形成的雜合系統(tǒng)，也可能同時(shí)存在電子向Rnf 雜合體（與NADH再生相關(guān)）以及氫化酶注入（后轉(zhuǎn)到氫氣介導(dǎo)作用）這兩種直接電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制。

Wang 等[19]依照同樣的自沉淀原理構(gòu)建了CdS-Rhodopseudomonas palustris雜合系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)光催化還原CO2合成生物可降解塑料——聚β-羥基丁酸酯（PHB）。其中光合系統(tǒng)（PS）可直接接收光能，產(chǎn)生的光生電子在電子傳遞鏈（PET）以及ATP 合成酶的作用下，為體系提供NADPH 以及ATP。而CdS 產(chǎn)生的光生電子則可通過PET 實(shí)現(xiàn)向細(xì)胞內(nèi)的直接注入，進(jìn)一步促進(jìn)還原力再生，更有效地為細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的CBB 循環(huán)供能，合成的3-磷酸甘油醛通過代謝轉(zhuǎn)化最終生成PHB，產(chǎn)量較R. palustris提高了47%。另外此體系也可同時(shí)實(shí)現(xiàn)N2的固定[圖5(b)]，根據(jù)光合效率（PE）的計(jì)算，CdS 包覆的R. palustrisPE 為6.73%，比天然細(xì)胞（2.35%）高186%，優(yōu)于許多光異養(yǎng)細(xì)菌[85]，固氮酶與卡爾文循環(huán)同時(shí)工作時(shí)，體系固定N2和CO2的比例分別為71.9%和28.1%，表面包覆CdS的光誘導(dǎo)電子賦予生物雜交細(xì)胞更大的生存能力。

圖5 基于直接電子傳遞的胞外供能模式Fig.5 Energy supply model based on directly electron transfer extracellularly

Fu 等[87]構(gòu)建了一種采用n 型半導(dǎo)體TiO2納米線陣列作為光陽(yáng)極，與生物陰極聯(lián)合的雙室反應(yīng)體系，利用太陽(yáng)能作為唯一的能量輸入，光生電子經(jīng)由外電路直接傳遞給厭氧活性污泥中的微生物，最終實(shí)現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化為CH4。利用循環(huán)伏安法檢測(cè)陰極室過濾后的無細(xì)胞上清液，發(fā)現(xiàn)沒有氧化還原峰且電流可以忽略不計(jì)，排除了體系中存在可溶性電子介體的可能性，驗(yàn)證了電子是從電極直接轉(zhuǎn)移到微生物的作用方式，由此導(dǎo)致了96%的極高法拉第效率。

2.2 基于化學(xué)物質(zhì)介導(dǎo)的胞外能量供給模式

合成生物學(xué)改造難度小、產(chǎn)物譜豐富的生產(chǎn)用工程菌株往往無法實(shí)現(xiàn)電子的直接跨膜傳遞，為了能夠和更廣泛的工程菌株進(jìn)行適配，可以通過化學(xué)物質(zhì)作為載體介導(dǎo)電子傳遞[88]，突破電子傳遞模式只能用于親電微生物的限制，實(shí)現(xiàn)更多高價(jià)值化合物的合成。常見的介導(dǎo)物質(zhì)有甲基紫精、氫氣與甲酸等。

甲基紫精（MV）是最早用作光催化-微生物雜合系統(tǒng)的電子介體，其氧化形式（MV2+）可以通過光催化作用還原為甲基紫精陽(yáng)離子(MV·+)，進(jìn)而介導(dǎo)電子傳遞[89]。Honda 等[90-91]利用TiO2作光催化劑、甲基紫精（MV）為電子介體，實(shí)現(xiàn)了無貴金屬的全細(xì)胞催化產(chǎn)氫作用，并通過改善反應(yīng)條件優(yōu)化了甲基紫精的再生效率，繼而提高了光催化產(chǎn)氫率[圖6(a)]。但體系需嚴(yán)格厭氧，否則電子無法傳遞給氫化酶進(jìn)行氫氣生成。而Zhao 等[92]通過仿生硅礦包裹構(gòu)建了核殼結(jié)構(gòu)的大腸桿菌聚集體，在空氣條件下，SiO2殼中位于外層的、暴露在有氧條件下的菌體，將進(jìn)行有氧發(fā)酵并逐漸消耗氧氣，而內(nèi)部的菌體則自然避免了氧氣的干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)在空氣條件下的全細(xì)胞光催化產(chǎn)氫。利用膜結(jié)合的重金屬螯合蛋白PbrR與鎘離子結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的CdS 納米粒子的原位合成與表面展示，通過加強(qiáng)臨近效應(yīng)縮短了甲基紫精從CdS 處接收電子，到將電子傳導(dǎo)入胞內(nèi)[NiFe]氫化酶的距離，提高了電子傳遞效率以及產(chǎn)氫性能。值得注意的是，如CdS等含有硫族元素的光催化劑，由于易被光生空穴氧化，所以存在嚴(yán)重的光腐蝕問題。醇、胺、抗壞血酸和EDTA 等物質(zhì)通常被作為犧牲還原劑，來清除光生空穴從而保持光催化劑的穩(wěn)定性，而Zhao 等[92]就是通過添加100 mmol/L 的抗壞血酸，維持了系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 基于化學(xué)物質(zhì)介導(dǎo)的胞外供能模式Fig.6 Energy supply model based on chemical-mediated extracellularly

甲基紫精雖然有一定的應(yīng)用前景，但是它們對(duì)微生物的毒害性較大。而氫氣作為清潔無害物質(zhì)也同樣可以成為電子載體，在膜結(jié)合氫化酶的作用下可分解為菌體提供ATP，與此同時(shí)可溶性氫化酶也可以利用氫氣產(chǎn)生胞內(nèi)還原力NADH。Zhang 等[64]在以TEOA 為電子供體的情況下，采用光催化劑g-C3N4收集光能產(chǎn)生氫氣，而氫氣作為電子載體，分別在膜結(jié)合的氫化酶（MBH）與可溶性氫化酶（SH）的作用下，為Ralstonia eutrophaH16 提供ATP 與NAD(P)H，最終將PHB 產(chǎn)量提升至1.4 倍。經(jīng)過后續(xù)研究，將電子供體從對(duì)微生物有毒性的TEOA 優(yōu)化為水，提高生物相容性的同時(shí)也使體系更趨近于自然光合作用[93]。同時(shí)g-C3N4-過氧化氫酶-R. eutropha這一改進(jìn)體系，通過過氧化氫酶，將材料表面由水分子捕獲價(jià)帶空穴而積累的H2O2分解為H2O 與O2，后者與H2均為微生物氣體發(fā)酵提供基礎(chǔ)，同時(shí)避免了光催化生成的H2O2對(duì)微生物造成的損害[圖6(b)]。此光催化系統(tǒng)具有優(yōu)異的光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率，氫氣產(chǎn)量可達(dá)55.72 mmol/h，經(jīng)48 h 光發(fā)酵PHB 的產(chǎn)量達(dá)到41.02 mg/L。這種純粹的氫氣介導(dǎo)機(jī)制中，體系中的氫氣是通過光催化材料實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)，而非光生電子向微生物膜上氫化酶注入而得的，與前所述的體系相比這是一個(gè)根本性的不同點(diǎn)。

甲酸也是一種常見的電子載體[94]，其一定程度上解決了H2由于過低的水溶解度導(dǎo)致的傳質(zhì)效率和電子傳遞速率過低的限制，甲酸在膜結(jié)合的甲酸脫氫酶與可溶性甲酸脫氫酶的作用下，可分別為菌體提供ATP 與NAD(P)H，同時(shí)分解而成的CO2可直接參與CBB 固碳循環(huán)。Song 等[95]通過甲酸脫氫酶（Cs-FDH）實(shí)現(xiàn)CO2到甲酸的胞外轉(zhuǎn)化，而甲酸此時(shí)作為碳載體與電子載體進(jìn)入細(xì)胞，可為細(xì)胞提供還原力與碳來源。最后通過異源表達(dá)1，5-二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）提高固碳效率，能使CO2更有效地實(shí)現(xiàn)到PHB 的生物合成，120 h 內(nèi)產(chǎn)量達(dá)到了485 mg/L。

雖然間接介導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移模式一定程度上減少了直接電子傳遞模式對(duì)微生物提出的必要限制因素，但從電子轉(zhuǎn)移效率來看，前者在物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程中不可避免地會(huì)導(dǎo)致額外的能量損失。

2.3 胞內(nèi)的能量供給模式

合成代謝過程基本在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，胞外的電子與氧化還原穿梭分子通過膜向細(xì)胞質(zhì)的傳遞過程不僅會(huì)消耗額外的能量，同時(shí)也受到膜擴(kuò)散的限制[98]。為解決這一問題，Yang 等[96]提出了一個(gè)新的光催化-生物雜合系統(tǒng)組裝策略，將光催化材料導(dǎo)入到菌體內(nèi)部，在胞內(nèi)直接實(shí)現(xiàn)還原力與能量的供給。他們將生物相容性及穩(wěn)定性良好的金納米團(tuán)簇（AuNCs）導(dǎo)入到M. thermoacetica內(nèi)部，AuNCs 直接在胞內(nèi)吸收光能，產(chǎn)生的光生電子可以直接轉(zhuǎn)移到酶及其他介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)還原力的再生[圖7(a)]。用結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（SIM）及能量色散X 射線光譜（EDS）闡明了細(xì)胞攝取AuNCs的可行性及材料在胞內(nèi)的穩(wěn)定性。此外AuNCs 同時(shí)具有猝滅活性氧的作用，降低了材料對(duì)菌體的傷害，提高了生物相容性，AuNCs 也不存在之前CdS 體系中材料的光氧化問題，因此不僅提高了能量效率，提高了乙酸產(chǎn)量，也大大改善了光反應(yīng)系統(tǒng)中的穩(wěn)定性，使反應(yīng)活性可以維持至少4 d。

注入到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的光催化劑會(huì)與酶進(jìn)行隨機(jī)結(jié)合，造成能量損失，而Ding等[97]實(shí)現(xiàn)了光催化納米量子點(diǎn)與生物酶的胞內(nèi)定向結(jié)合[圖7(b)]，這種直接電子傳遞機(jī)制提高了光生電子的利用效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了人工光合系統(tǒng)的優(yōu)化。通過His-tag 修飾，A.vinelandii胞內(nèi)固氮酶和R.eutropha膜上氫化酶分別可實(shí)現(xiàn)與CdS@ZnS QDs 的特異性結(jié)合，大大提高了NH3與H2產(chǎn)量，在1.6 mW/cm2的LED 燈照射下，借助膜上氫化酶及呼吸鏈反應(yīng)產(chǎn)生的ATP，可使PHB 產(chǎn)量提高到野生型的150%，自然光下擴(kuò)大的傳統(tǒng)生物反應(yīng)器的高產(chǎn)量表明了用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的可能性。Yong 等[98]通過將CuInS2/ZnS 量子點(diǎn)轉(zhuǎn)移到表達(dá)周質(zhì)氫酶的Shewanella oneidensis中，構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)特的周質(zhì)光敏生物雜交系統(tǒng)[圖7(c)]。QDs光敏劑的光激發(fā)和電子轉(zhuǎn)移過程同時(shí)發(fā)生在Shewanella oneidensis的周質(zhì)中，縮短了電子輸運(yùn)的距離，避免了跨膜過程中產(chǎn)生的額外能量損失，此外狹窄的周質(zhì)空間使局部氫化酶濃度提高，增加了酶和光敏劑之間相互作用的概率，光生電子通過氫化酶中的Fe-S簇迅速轉(zhuǎn)移到活性中心，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子還原和H2的產(chǎn)生，產(chǎn)量是裸量子點(diǎn)的8.6倍。

圖7 基于胞內(nèi)量子點(diǎn)的能量供給模式Fig.7 Energy supply model based on intracellular quantum dots

將光催化納米粒子注入胞內(nèi)繼而實(shí)現(xiàn)還原能供給的體系還處于起步階段，電子傳遞機(jī)理尚不明確。與此同時(shí)，定向結(jié)合的模式雖然減弱了光生電子隨機(jī)傳導(dǎo)對(duì)微生物造成的危害，但仍無法避免空穴利用如谷胱甘肽、半胱氨酸等常見胞內(nèi)還原物質(zhì)，造成代謝布局紊亂的潛在可能性，將對(duì)材料的生物相容性提出更高要求。

3 總結(jié)與展望

基于酶與微生物的這兩類雜合體系互有利弊[99]：前者反應(yīng)簡(jiǎn)便快速，但生物酶不僅提取分離步驟煩瑣，在體外也極易喪失活性，導(dǎo)致體系穩(wěn)定性低，且簡(jiǎn)單的單酶反應(yīng)無法實(shí)現(xiàn)低成本底物到高價(jià)值化合物的轉(zhuǎn)化，而多酶級(jí)聯(lián)體系的構(gòu)建困難大，且轉(zhuǎn)化率逐級(jí)降低；與此相對(duì)的，光催化-微生物雜合系統(tǒng)由于微生物可進(jìn)行自體繁殖，加上各種膜結(jié)構(gòu)以及應(yīng)激機(jī)制的保護(hù)，其穩(wěn)定性相較酶系統(tǒng)有極大程度的提高，且通過微生物體內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜化合物的定向合成，但是體系存在一定的構(gòu)建及調(diào)控難度[100]。

雖然光催化-生物雜合系統(tǒng)的構(gòu)建還存在一些問題，但經(jīng)過不斷研究也已經(jīng)初步探索出了一些可行的解決手段。材料方面，除了進(jìn)行改性修飾改善電子-空穴復(fù)合率、通過整合互補(bǔ)技術(shù)提高太陽(yáng)能利用率[101]外，重要的是要兼顧其生物相容性、光照下生物毒性、體系適配性等問題。通過外層包裹谷胱甘肽（GSH）或半胱氨酸（Cys）等配體，可顯著降低材料的生物毒性[102]。由于材料與蛋白結(jié)合可能影響蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)致使其失活，與膜的結(jié)合涉及到吸附、膜變形甚至顆粒的內(nèi)吞封裝，大顆?？赡軙?huì)導(dǎo)致膜穿孔造成細(xì)胞死亡[103]，在這一點(diǎn)上尺寸較小的量子點(diǎn)具有優(yōu)勢(shì)，而球形顆粒則被證明是微生物接受度最高的形態(tài)[104]。材料的能帶結(jié)構(gòu)也是影響其生物相容性的重要因素之一，過高或過低的能帶位置會(huì)破壞生物體原本的代謝布局并產(chǎn)生大量ROS以至體系失活[38]，由此選用光電性能與電子轉(zhuǎn)移蛋白及各類輔因子相匹配的光催化劑，以及適當(dāng)?shù)碾娮庸w尤為重要。另外，由于紫外線或更高能量的輻射光會(huì)導(dǎo)致酶失活、DNA 損傷和細(xì)胞死亡，材料的吸收范圍最好調(diào)整為可見光，CdS 作為相對(duì)成熟的模式材料有一個(gè)缺陷就在于它依賴紫外區(qū)，而InP 作為一種吸收可見光的光催化材料或許未來能有廣闊的發(fā)展[105]。

合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展也為雜合系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用提供了有力手段，通過蛋白質(zhì)工程可以實(shí)現(xiàn)酶的定向改造，通過氨基酸突變以及其他修飾改造可實(shí)現(xiàn)材料與酶分子的定向結(jié)合[24]，為促進(jìn)電子向酶活性中心的注入，或?qū)崿F(xiàn)酶固定化從而維持活性創(chuàng)造條件。另外，通過基因工程改造，可實(shí)現(xiàn)光催化劑與微生物之間自發(fā)的生物相容性組裝，或光催化劑的原位生物合成[106-109]。如QDs 可在細(xì)胞內(nèi)與經(jīng)His-tag修飾的固氮酶或氫化酶實(shí)現(xiàn)特異性結(jié)合，繼而激活光催化-微生物雜合系統(tǒng)，完成固氮或固碳作用[97]。而Zhong 等通過基因編輯，將大腸桿菌生物膜中的CsgA 蛋白與His-tag 融合表達(dá)，得到的菌株能與無機(jī)納米材料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自組裝[110]，而后通過表達(dá)具有礦化能力的短肽，設(shè)計(jì)合成的TcReceiver/CsgAA7生物膜，還可實(shí)現(xiàn)CdS NPs 在細(xì)胞外，高特異性、高生物相容性的原位合成，得到的穩(wěn)定的生物膜具有光電響應(yīng)，可被用于全細(xì)胞光催化反應(yīng)[111]。此外，利用表面展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)PbrR 在細(xì)胞膜上的表達(dá)[109]，可提高細(xì)胞對(duì)重金屬離子的親和力，繼而促進(jìn)納米粒子的生物合成，實(shí)現(xiàn)光催化-生物雜合系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用。

最后，有關(guān)電子傳遞效率方面，如何實(shí)現(xiàn)材料與生物質(zhì)之間的良好相互作用，以最大限度地提高電子轉(zhuǎn)移效率也是至關(guān)重要的命題，雖然目前的很多研究旨在闡明雜合系統(tǒng)的機(jī)制，但仍然還有很多不確定性，全面且明確地掌握雜合系統(tǒng)作用原理是實(shí)現(xiàn)清潔高效生產(chǎn)燃料及增值化學(xué)品的重要基礎(chǔ)，基于本質(zhì)出發(fā)才能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)光催化劑、生物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)改造，促進(jìn)物質(zhì)和能量在無機(jī)-生物界面的傳導(dǎo)，最終提高產(chǎn)品效益。

光催化-生物雜合系統(tǒng)具有可持續(xù)、高效產(chǎn)專一化學(xué)品的能力[105,112-114]，無論從新能源開發(fā)還是固碳角度來說都是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要手段，在進(jìn)行溫和、無污染的催化反應(yīng)的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)低成本底物到單一增值化學(xué)品、清潔能源的可持續(xù)高效轉(zhuǎn)化[68]，其潛在優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在其他方面，如能量效率可遠(yuǎn)高于自然光合效率（＜1%）[115]，為提高反應(yīng)效率、優(yōu)化體系等提供了基礎(chǔ)，是自然光合作用的復(fù)現(xiàn)、簡(jiǎn)化和優(yōu)化，未來糅合仿生學(xué)理念可進(jìn)行更深層次、更廣泛性的研究，是人類利用自然、改造自然的合理舉措。