半导体合成生物学的研究进展

　　摘要：半导体合成生物学是研究半导体技术与合成生物学之间协同作用的一门交叉学科。其涉及的活细胞-半导体材料杂合体系具有独特的能量和信号转导机制，不仅维持活细胞的代谢能力，而且保留半导体材料的光电学物理特性，在化工、通讯、计算、能源及医疗等领域具有广阔应用前景。本文综述了半导体合成生物学在生物催化、智能生物传感以及新型DNA数据存储领域的最新研究进展，讨论了目前研究面临的技术难题及解决方案，旨在为合成生物学和半导体技术这两个影响化工发展的领域提供有价值的参考。

　　关键词：半导体合成生物学;细胞-无机材料界面;信号输入;信息存储

　　引言

　　合成生物学(Syntheticbiology)是从最基本要素开始设计和构建新生物体系，或修改现有生物体系的一门交叉学科[1-2]。近年来，人工基因电路已取得显著进展，在此基础上耦合半导体材料形成了生物-非生物混合体系(Living-nonlivinghybridsystem)。在该杂合体系中，人工细胞可与半导体材料建立联系，由此形成一个新的研究方向—―半导体合成生物学(Semiconductorsyntheticbiology/SemiSynBio,SSB)‖。半导体合成生物学探索工程细胞与半导体材料之间的协同作用。无论是半导体材料还是细胞，二者都涉及电子的受控流动，区别在于半导体材料涉及物理现象中电子在线路中的长程运动，而细胞则涉及化学反应中电子在分子间的短程运动。当半导体缩小到物理极限时，就能几乎匹配活细胞以化学方式处理的电子传递。

　　生物学论文投稿刊物：《中国病原生物学杂志》是由卫生部主管，中华预防医学会、山东省寄生虫病防治研究所主办的国家级学术性期刊，80页，月刊，国内统一刊号：CN11-5457/R，国际连续出版物号：ISSN 1673-5234，全年定价：120元，国内外公开发行，邮发代号：24-81。

　　因此在半导体合成生物学领域，物理信号将超越以往简单的传递方式，转变为细胞-半导体间的双向通信，即一方面细胞能接收来自半导体的电、热、机械等物理信号，从而调控其代谢行为;另一方面半导体材料也能感知来自细胞的电子、代谢物及生物大分子等信号，从而实现物质或信号的输出[3]。由此可见，半导体合成生物体系包括：(1)以活细胞为感应基础的“生物前端”层;(2)以非生物材料为信息计算模块的“半导体后端”层。因此，该研究方向属于交叉学科，具有理论和应用双重意义。本文综述了近年来半导体合成生物学具有代表性且发展迅速的领域。

　　1半导体-细胞杂交光合体系介导的生物催化

　　为满足日益增长的能源需求并克服化石燃料的局限性，人们正在寻求可持续的新能源生产方法。光合作用对碳元素的利用率接近100%，但整个过程的能量转换效率非常低(一般在5%以下)[4]。固态半导体光吸收器比生物体更能有效地捕获光，能量转换效率接近20%(Shockley-Queisser极限为33.7%)[5-6]。因此，将高选择性生物催化体系和高效光收集器进行集成，建立混合系统，其碳利用效率将超过天然光合作用[7-9]。该半导体-细胞混合体系包括三部分：细胞、半导体材料及界面接口。细胞通过复杂的表面结构与外环境进行物质与能量交换。

　　非光合微生物例如大肠杆菌(Escherichiacoli)[10]、酵母菌(Saccharomycescerevisiae)[11]、卵形鼠孢菌(Sporomusaovata)[12]、热醋穆尔氏菌(Moorellathermoacetica)[13]和罗尔斯通氏菌(Ralstoniaeutropha)[14-15]等已被开发为半导体-细胞杂交体系进行人工光合作用。在这种混合杂交系统中，厌氧菌能在有氧条件下接收外界非生物组件传递的信号或还原当量，之后利用细胞内特有途径进行氧化-还原反应，从而合成化学品或能源燃料。非生物部分应具有亲微生物表面，可促进材料和微生物的稳定整合。

　　与聚合物和金属相比，半导体材料因其在生物界面处的多种信号转导机制而更适用于电子和光子生物界面。同时，高性能无机半导体可被精确制造成各种纳米级结构，以匹配亚细胞和分子成分的大小。例如，硅纳米线(SiNWs)的直径(d=1~100nm)比哺乳动物细胞(dcell≈10μm)小几个数量级，且具有较大的长径比(~103)，这有助于在分子水平上研究复杂的信号调控模式[16]。除硅(Si)[17]之外，常见的非生物体部分还包括磷化铟(InP)[11]、硫化镉(CdS)[13,18]、磷酸钴(CoP)[19]、金纳米团簇(AuNCs)[20]、石墨相碳氮化物(g-C3N4)[14-15]等半导体材料。生物体和非生物体之间的耦合需要稳定且高效的界面接口，如此才能构建与自然系统相同的信号传导机制，从而准确地调控细胞-半导体混合系统。界面接口的形成则需要细胞和半导体材料间极为紧密和高表面积的接触，以便维持细胞活力和半导体性能[21]。

　　在细胞-半导体杂交体中实现这种界面需要做到三个方面：(1)选择并设计适当的生物和非生物成分以确保二者的相容性;(2)通过亲和结合或自组装进行化学耦合;(3)建立人工材料与细胞之间的能量转导及耦合。细胞与半导体的连接一般为直接物理接触。Kim等将哺乳动物细胞培养在含垂直排列的SiNW阵列的基底上，数天后，SiNW阵列与正在生长的细胞紧密结合，该研究表明无外力作用下半导体材料与细胞的自然结合[16]。Sakimoto等则采用生物沉淀的方法使M.thermoacetica表面附着CdS纳米颗粒，建立了良好的生物界面[13]。

　　再如，Wei等在大肠杆菌中融合表达外膜蛋白OmpA和金属结合蛋白PbrR，可特异性吸附Pb和Cd离子，从而在菌表面形成PbS和CdS界面层，促使菌体在有氧条件下持续产氢[10]。Tremblay等则将g-C3N4颗粒与R.eutrophaH16共培养构建杂交光合系统，转化光能后得到部分还原当量，然后通过乙酰乙酰辅酶A还原酶PhbB直接供给聚羟基丁酸酯的合成[14-15]。在人工光合杂交系统中，半导体光吸收器具有较高的载流子迁移率，比生物体更高效地吸收光，但却不能有效地将光激发电子的能量转移至碳键合成中。

　　因此，利用非光合细菌的优异胞内固碳能力将半导体吸收的光能转换成化学能，从而最大限度地利用太阳能。此前研究中，自养细菌已广泛用于生产简单有机分子，而将异养生物与半导体光收集器融合，则在复杂代谢物的合成方面更具优势。人工光合杂交系统的电子转移机制可根据细胞膜上是否存在氢化酶而分为两种：

　　(1)非氢化酶介导的直接电子转移：该过程发生在光合作用的前3小时，其特点符合慢电荷转移动力学。当细胞与半导体直接接触后，通过自身的还原蛋白(例如，细胞色素(Cyt)、铁氧还蛋白(Fd)、黄素蛋白(Fp))或导电鞭毛将胞外电子传递到自身细胞的化学反应中，并不依赖H2或NAD(P)H作为还原当量的来源[22];(2)氢化酶介导的间接电子转移：该过程遵循驱动电子到膜结合氢化酶的电荷转移动力学，在24小时内积累足量的H2、甲酸等代谢物，并通过HydABC络合物氧化进入Wood-Ljungdahl途径，为细胞提供还原当量[23-25]。

　　总之，以细胞色素和氢化酶为代表的膜结合蛋白在电子-空穴对分离过程中发挥重要的电子传递作用[26-27]。Jensen等在大肠杆菌中异源表达希瓦氏菌(Shewanellaoneidensis)的胞外电子传递色素蛋白(CymA、MtrA、MtrB、MtrC)，重构了胞外电子传递路径(CymA-MtrCAB)，使外膜上的固体金属氧化物被还原[28]。该研究表明，合成生物学可改变细胞特性，使其成为与无机纳米材料相容的界面细胞。

　　因此，研究重点将着眼于提高材料的电子-空穴对分离效率以及电子从半导体到细胞的转移能力[29-30]。深入了解电子在细胞内的分子响应机制有助于改进半导体材料对信号的集成和传导性能。当电子或还原当量通过细胞膜进入胞内，细胞内分子响应机制可分为人为调控和胞内自主调控。人为调控是根据需求对胞内代谢途径进行改造，使细胞从半导体材料中获得的能量集中用于某特定代谢途径或途径中某一步骤，对细胞获得的还原力进行有目的地分配。

　　该方面Guo等构建的基因工程酵母-InP杂化平台是一成功案例[11]。NADPH是生物合成中的关键氧化还原辅因子。酵母中的NADPH主要来自磷酸戊糖途径(PPP)。当缺失葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因zwf1时，PPP的氧化部分被破坏，极大降低胞浆NADPH的再生能力，直接影响莽草酸的合成，最终导致其前体3-脱氢莽草酸(DHS)的积累[31]。研究者在此基础上利用附着在酵母细胞表面的光收集半导体颗粒InP提供缺失的还原当量，促使DHS高效合成莽草酸[11]。此外，在酿酒酵母表面覆盖氮化镓(GaN)纳米薄膜，使其能够吸收紫外线提供的能量，在细胞表面积累电荷，激活细胞壁中的几丁质合成途径[32]。

　　另一种胞内自主调控机制则是遵循细胞正常代谢途径所需，利用半导体材料的电子或还原当量生产简单有机小分子。如Sakimoto等建立了M.thermoacetica-CdS杂交体系，CdS经光照激发的光生电子产生还原当量[H]直接进入Wood-Ljungdahl途径，驱动CO2经乙酰-CoA合成乙酸。Wood-Ljungdahl途径是已知厌氧生物固碳途径中能耗最低、路径最短的途径，符合细胞自主调节的能量分配原则[13]。

　　半导体-细胞杂交体系介导的生物催化发展极为迅速，已开发出若干细胞和半导体材料的组合。除光合杂交体系外，Daniil等开发了一种海胆状磁性纳米颗粒。附着在酵母细胞表面的磁性颗粒可经低频磁场(100Hz)驱动而改变空间排布，在不影响细胞生存的范围内改变细胞膜通透性，使酿酒酵母利用葡萄糖生产乙醇的转化率提高了150%[33]。随着对杂交系统的电子转移机制及细胞能量代谢方式的深入研究，半导体合成生物学将为清洁能源开发、大宗化学品生产及高值药物合成等提供重要技术支撑。

　　2依托半导体-智能细胞的新型生物传感

　　生物传感器(Biosensor)是一种可识别生物分子并将代谢物浓度转化为光、电等信号的检测仪器。它以生物敏感材料为识别元件，以可响应光、电、压力、场效应等信号的材料为理化换能器，实现生物信号的转换与输出。自1967年第一个生物传感器——葡萄糖传感器[34]问世以来，科学家们以酶、抗体、细胞器、动植物组织等为特异性响应元件，开发出多种生物传感器。传统生物传感器灵敏度高、特异性好，但功能有限。活细胞-半导体材料杂交体系可通过胞内生化反应实现对外环境的实时监测，且可对外界信号做出反应，从而执行普通生物活性材料无法完成的功能。这种新型智能生物传感器在个性化诊断、疾病治疗、微观生物致动机器人开发等方面发挥重要作用。

　　3基于DNA的大规模信息存储

　　目前，数据存储介质大多是性能良好的半导体材料。数据存储密度与材料的物理尺寸以及电路集成能力密切相关。然而，半导体材料构成的电路已接近其性能极限;此外，亚纳米水平的集成也因元件间距过小而面临量子干扰、库伦阻塞等物理效应的限制。因此，开发新的数据存储方法才能解决当今信息太多而存储能力弱的矛盾。分子数据存储是一种密集且持久的信息存储方式，但半导体材料需在极低温度下(约-210℃)才能保持单分子级的数据存储性能，昂贵的冷却系统限制了该方法大规模应用。DNA作为生物遗传信息的载体，其独特的生物学特性使其在存储时间、存储密度和数据读取等方面具有优势。

　　4总结与展望

　　半导体合成生物学利用材料科学的工具和方法去发展和调控生物系统，同时基于合成生物学思路开发新材料。生物学、材料学、电子学和计算机科学等多学科交叉可促进生物学与半导体技术的日益融合，衍生出具有重要价值的研究课题。

　　(1)半导体材料能高效吸收转化光能、磁能、化学能，活细胞则将能量用于自身代谢并合成高附加值产品。用于生物催化的半导体-细胞杂合体系是目前研究热点[73]。本课题组致力于工业微生物的遗传改造和调控，其中包括将还原性三羧酸循环及C4模块导入大肠杆菌，使其固定CO2而生产化学品。对于大肠杆菌等非光合细菌，该途径提供的还原力及能量不足，而细胞与半导体材料耦合可弥补该缺陷，从而提高CO2利用率。材料与细胞表面的接触对细胞间原有信号传递、生物被膜等造成干扰。如何减轻或平衡能量传输对细胞的负荷和不良刺激，加速能量传递，是发展半导体生物催化的关键。此外，经半导体材料传输的能量在进入细胞后会遵循胞内能量代谢方式，缺乏可控性。未来，利用合成生物学手段开发胞内多模块间正交能量分配或许是新突破。

　　(2)半导体器件可放大信号、具有一定容错性且响应速度快，适于调控复杂生物系统[45-46];而活细胞具有精密的基因表达及代谢能力，能够执行无机材料无法完成的工作。二者结合将同时打破材料及生物系统等领域的技术瓶颈。例如，通过课题组之间的协作，我们以极端微生物为底盘细胞，将其与多重纳米材料相结合，以便监测与修复环境。其中的工程细胞可感知环境中污染物的浓度，而半导体材料传感器则负责信息的反馈;之后，信息集成模块根据污染物的种类，通过不同信号输入激活工程菌中相应的污染物降解途径，从而实现“自感知-自反馈-多样化处理”的目标。目前，生物传感器的应用已经从基础的物质检测扩展到了复杂的生物医疗。然而，相对于半导体响应元件，人们对活细胞功能的开发程度还较低。今后，将外部传感信号与胞内如群体感应(Quorumsensing)等自主交流方式相耦合，同时结合人工智能手段赋予细胞“感应-分析-指令-行动”等能力，有望使生物传感技术迈向新台阶。

　　(3)DNA数据存储是未来信息存储的发展趋势，其优点在于存储密度大、易保存且受外界条件影响小。然而，DNA合成成本高以及读取速度慢等缺点仍是挑战。尽管如此，现有物种DNA图谱复杂多样，包含信息量巨大，若将DNA存储的编码算法与之耦合即可将生物基因组作为天然存储单元，节约合成成本。此外，新一代测序技术助力DNA的精确和快速读取。 未来半导体合成生物学仍将遵循“设计-构建-测试-学习”(design-build-test-learn)的闭环思路，在细胞、组织和系统各个水平不断发展和优化生物-非生物杂合体系并拓展其应用。

　　参考文献

　　[1]BartleyBA,KimK,MedleyJK,etal.Syntheticbiology:engineeringlivingsystemsfrombiophysicalprinciples[J].BiophysicalJournal,2017,112(6):1050-1058.

　　[2]ChengAA,LuTK.Syntheticbiology:anemergingengineeringdiscipline[J].AnnualReviewofBiomedicalEngineering,2012,14(1):155-178.

　　[3]TianB,XuS,RogersJA,etal.Roadmaponsemiconductor-cellbiointerfaces[J].PhysicalBiology,2018,15(3):031002.

　　[4]FuW,ChaiboonchoeA,KhraiweshB,etal.Intracellularspectralrecompositioningoflightenhancesalgalphotosyntheticefficiency[J].Sci.Adv.,2017,3(9):e1603096.

　　[5]RoyanianS,ZiabariAA,YousefiR.Efficiencyenhancementofultra-thinCIGSsolarcellsusingbandgapgradingandembeddingAuplasmonicnanoparticles[J].Plasmonics,2020,15:1173-1182.

　　作者：王欣1，赵鹏1，李清扬2，田平芳1