摘要：2025年8月21日，山东师范大学唐波、李璐团队在Nature Synthesis期刊发表题为Dual-channel energy pathway combining energy molecule supply and electron transfer

2025年8月21日，山东师范大学唐波、李璐团队在Nature Synthesis期刊发表题为Dual-channel energy pathway combining energy molecule supply and electron transfer to support solar-to-chemical production in an E. coli–thylakoid hybrid的研究论文，团队成员安静华为论文第一作者，唐波、李璐为论文共同通讯作者。

问题：目前利用微生物（如大肠杆菌）进行生物合成（碳固定、产氢、化学品合成）时，常常受到能量分子（ATP、NADH、NADPH）不足的限制。这些能量分子大多被细胞自身代谢和生长消耗，只剩很少可用于目标产物。

瓶颈：能量供应不足 → 难以实现高产率。

现有方法：借助光敏材料（如半导体）吸收光子并向微生物提供电子，但存在：

电子传递效率低

电子在微生物内利用途径不确定

光照下产生大量ROS（活性氧），损伤细胞

研究团队受到自然光合作用中叶绿体类囊体（thylakoid）的启发，首次提出并实现了“大肠杆菌–类囊体杂交体”，并设计了一个双通道能量通路：

能量分子供给通路
光照下，类囊体直接合成ATP和NADPH → 供应给大肠杆菌。

电子传递通路
类囊体产生的光电子被红氧化还原介体（如PDA、多巴胺、核黄素、辅酶Q）捕获 → 增强大肠杆菌的电子传递链和糖酵解 → 提升ATP、NAD(P)H水平。

这种双通路使得细胞能量供应显著增强，从而突破了产物合成的能量瓶颈。

类囊体的提取与表征

从菠菜叶片中分离出直径约20 nm的类囊体，保留了完整的光合作用蛋白与叶绿素。

实验证明其光合活性良好，能在光照下高效生成电子和能量分子。

E. coli的改造

利用聚多巴胺（PDA）包覆大肠杆菌表面，增强其对类囊体的摄取能力。

获得E. coli–thylakoid 杂交体，并通过显微成像和流式细胞术验证类囊体确实进入或附着于细胞内外。

能量提升效果

ATP 增加 56%

NADH/NAD+ 比值增加 113%

NADPH/NADP+ 比值增加 153%

氢气产量：
杂交体在光照下的产氢速率达到15.1 mmol·h⁻¹·g⁻¹dcw（干细胞重），是裸大肠杆菌的2倍，与顶尖水平持平。

稳定性与安全性：
与半导体材料不同，类囊体产生的ROS极少，不引起氧化应激；杂交体表现出良好稳定性和生存率。

真实阳光下实验：
在自然光照条件下也能稳定产氢，验证了其“太阳能 → 化学能”转化的可行性。

上调基因：

电子传递链（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）

葡萄糖运输与糖酵解

氢化酶复合体

抗氧化能力（谷胱甘肽循环相关）

结果：说明类囊体不仅提供能量，还调控了E. coli 的代谢与抗氧化能力，形成了完整的能量—代谢—抗氧化联动机制。

本研究首次构建了E. coli–类囊体杂交系统，并实现双通道能量供应策略，显著增强了生物产氢能力。

突破点：

自然光合作用单元（类囊体）的引入，避免了人工材料带来的ROS损伤。

提供了绿色、可持续的“太阳能 → 化学能”路径。

应用前景：
不仅限于产氢，还可拓展到其他高能耗生物合成（如碳固定、医药分子合成），对合成生物学和可再生能源开发意义重大。

来源：云阳好先生做实事