摘要：半導體合成生物學是研究半導體技術與合成生物學之間協同作用的一門交叉學科。其涉及的活細胞-半導體材料雜合體系具有獨特的能量和信號轉導機制，不僅維持活細胞的代謝能力，而且保留半導體材料的光電學物理特性，在化工、通訊、計算、能源及醫療等領域具有廣闊應用前景。本文綜述了半導體合成生物學在生物催化、智能生物傳感以及新型DNA數據存儲領域的最新研究進展，討論了目前研究面臨的技術難題及解決方案，旨在為合成生物學和半導體技術這兩個影響化工發展的領域提供有價值的參考。

　　關鍵詞：半導體合成生物學;細胞-無機材料界面;信號輸入;信息存儲

　　引言

　　合成生物學(Syntheticbiology)是從最基本要素開始設計和構建新生物體系，或修改現有生物體系的一門交叉學科[1-2]。近年來，人工基因電路已取得顯著進展，在此基礎上耦合半導體材料形成了生物-非生物混合體系(Living-nonlivinghybridsystem)。在該雜合體系中，人工細胞可與半導體材料建立聯系，由此形成一個新的研究方向—―半導體合成生物學(Semiconductorsyntheticbiology/SemiSynBio,SSB)‖。半導體合成生物學探索工程細胞與半導體材料之間的協同作用。無論是半導體材料還是細胞，二者都涉及電子的受控流動，區別在于半導體材料涉及物理現象中電子在線路中的長程運動，而細胞則涉及化學反應中電子在分子間的短程運動。當半導體縮小到物理極限時，就能幾乎匹配活細胞以化學方式處理的電子傳遞。

　　生物學論文投稿刊物：《中國病原生物學雜志》是由衛生部主管，中華預防醫學會、山東省寄生蟲病防治研究所主辦的國家級學術性期刊，80頁，月刊，國內統一刊號：CN11-5457/R，國際連續出版物號：ISSN 1673-5234，全年定價：120元，國內外公開發行，郵發代號：24-81。

　　因此在半導體合成生物學領域，物理信號將超越以往簡單的傳遞方式，轉變為細胞-半導體間的雙向通信，即一方面細胞能接收來自半導體的電、熱、機械等物理信號，從而調控其代謝行為;另一方面半導體材料也能感知來自細胞的電子、代謝物及生物大分子等信號，從而實現物質或信號的輸出[3]。由此可見，半導體合成生物體系包括：(1)以活細胞為感應基礎的“生物前端”層;(2)以非生物材料為信息計算模塊的“半導體后端”層。因此，該研究方向屬于交叉學科，具有理論和應用雙重意義。本文綜述了近年來半導體合成生物學具有代表性且發展迅速的領域。

　　1半導體-細胞雜交光合體系介導的生物催化

　　為滿足日益增長的能源需求并克服化石燃料的局限性，人們正在尋求可持續的新能源生產方法。光合作用對碳元素的利用率接近100%，但整個過程的能量轉換效率非常低(一般在5%以下)[4]。固態半導體光吸收器比生物體更能有效地捕獲光，能量轉換效率接近20%(Shockley-Queisser極限為33.7%)[5-6]。因此，將高選擇性生物催化體系和高效光收集器進行集成，建立混合系統，其碳利用效率將超過天然光合作用[7-9]。該半導體-細胞混合體系包括三部分：細胞、半導體材料及界面接口。細胞通過復雜的表面結構與外環境進行物質與能量交換。

　　非光合微生物例如大腸桿菌(Escherichiacoli)[10]、酵母菌(Saccharomycescerevisiae)[11]、卵形鼠孢菌(Sporomusaovata)[12]、熱醋穆爾氏菌(Moorellathermoacetica)[13]和羅爾斯通氏菌(Ralstoniaeutropha)[14-15]等已被開發為半導體-細胞雜交體系進行人工光合作用。在這種混合雜交系統中，厭氧菌能在有氧條件下接收外界非生物組件傳遞的信號或還原當量，之后利用細胞內特有途徑進行氧化-還原反應，從而合成化學品或能源燃料。非生物部分應具有親微生物表面，可促進材料和微生物的穩定整合。

　　與聚合物和金屬相比，半導體材料因其在生物界面處的多種信號轉導機制而更適用于電子和光子生物界面。同時，高性能無機半導體可被精確制造成各種納米級結構，以匹配亞細胞和分子成分的大小。例如，硅納米線(SiNWs)的直徑(d=1~100nm)比哺乳動物細胞(dcell≈10μm)小幾個數量級，且具有較大的長徑比(~103)，這有助于在分子水平上研究復雜的信號調控模式[16]。除硅(Si)[17]之外，常見的非生物體部分還包括磷化銦(InP)[11]、硫化鎘(CdS)[13,18]、磷酸鈷(CoP)[19]、金納米團簇(AuNCs)[20]、石墨相碳氮化物(g-C3N4)[14-15]等半導體材料。生物體和非生物體之間的耦合需要穩定且高效的界面接口，如此才能構建與自然系統相同的信號傳導機制，從而準確地調控細胞-半導體混合系統。界面接口的形成則需要細胞和半導體材料間極為緊密和高表面積的接觸，以便維持細胞活力和半導體性能[21]。

　　在細胞-半導體雜交體中實現這種界面需要做到三個方面：(1)選擇并設計適當的生物和非生物成分以確保二者的相容性;(2)通過親和結合或自組裝進行化學耦合;(3)建立人工材料與細胞之間的能量轉導及耦合。細胞與半導體的連接一般為直接物理接觸。Kim等將哺乳動物細胞培養在含垂直排列的SiNW陣列的基底上，數天后，SiNW陣列與正在生長的細胞緊密結合，該研究表明無外力作用下半導體材料與細胞的自然結合[16]。Sakimoto等則采用生物沉淀的方法使M.thermoacetica表面附著CdS納米顆粒，建立了良好的生物界面[13]。

　　再如，Wei等在大腸桿菌中融合表達外膜蛋白OmpA和金屬結合蛋白PbrR，可特異性吸附Pb和Cd離子，從而在菌表面形成PbS和CdS界面層，促使菌體在有氧條件下持續產氫[10]。Tremblay等則將g-C3N4顆粒與R.eutrophaH16共培養構建雜交光合系統，轉化光能后得到部分還原當量，然后通過乙酰乙酰輔酶A還原酶PhbB直接供給聚羥基丁酸酯的合成[14-15]。在人工光合雜交系統中，半導體光吸收器具有較高的載流子遷移率，比生物體更高效地吸收光，但卻不能有效地將光激發電子的能量轉移至碳鍵合成中。

　　因此，利用非光合細菌的優異胞內固碳能力將半導體吸收的光能轉換成化學能，從而最大限度地利用太陽能。此前研究中，自養細菌已廣泛用于生產簡單有機分子，而將異養生物與半導體光收集器融合，則在復雜代謝物的合成方面更具優勢。人工光合雜交系統的電子轉移機制可根據細胞膜上是否存在氫化酶而分為兩種：

　　(1)非氫化酶介導的直接電子轉移：該過程發生在光合作用的前3小時，其特點符合慢電荷轉移動力學。當細胞與半導體直接接觸后，通過自身的還原蛋白(例如，細胞色素(Cyt)、鐵氧還蛋白(Fd)、黃素蛋白(Fp))或導電鞭毛將胞外電子傳遞到自身細胞的化學反應中，并不依賴H2或NAD(P)H作為還原當量的來源[22];(2)氫化酶介導的間接電子轉移：該過程遵循驅動電子到膜結合氫化酶的電荷轉移動力學，在24小時內積累足量的H2、甲酸等代謝物，并通過HydABC絡合物氧化進入Wood-Ljungdahl途徑，為細胞提供還原當量[23-25]。

　　總之，以細胞色素和氫化酶為代表的膜結合蛋白在電子-空穴對分離過程中發揮重要的電子傳遞作用[26-27]。Jensen等在大腸桿菌中異源表達希瓦氏菌(Shewanellaoneidensis)的胞外電子傳遞色素蛋白(CymA、MtrA、MtrB、MtrC)，重構了胞外電子傳遞路徑(CymA-MtrCAB)，使外膜上的固體金屬氧化物被還原[28]。該研究表明，合成生物學可改變細胞特性，使其成為與無機納米材料相容的界面細胞。

　　因此，研究重點將著眼于提高材料的電子-空穴對分離效率以及電子從半導體到細胞的轉移能力[29-30]。深入了解電子在細胞內的分子響應機制有助于改進半導體材料對信號的集成和傳導性能。當電子或還原當量通過細胞膜進入胞內，細胞內分子響應機制可分為人為調控和胞內自主調控。人為調控是根據需求對胞內代謝途徑進行改造，使細胞從半導體材料中獲得的能量集中用于某特定代謝途徑或途徑中某一步驟，對細胞獲得的還原力進行有目的地分配。

　　該方面Guo等構建的基因工程酵母-InP雜化平臺是一成功案例[11]。NADPH是生物合成中的關鍵氧化還原輔因子。酵母中的NADPH主要來自磷酸戊糖途徑(PPP)。當缺失葡萄糖-6-磷酸脫氫酶基因zwf1時，PPP的氧化部分被破壞，極大降低胞漿NADPH的再生能力，直接影響莽草酸的合成，最終導致其前體3-脫氫莽草酸(DHS)的積累[31]。研究者在此基礎上利用附著在酵母細胞表面的光收集半導體顆粒InP提供缺失的還原當量，促使DHS高效合成莽草酸[11]。此外，在釀酒酵母表面覆蓋氮化鎵(GaN)納米薄膜，使其能夠吸收紫外線提供的能量，在細胞表面積累電荷，激活細胞壁中的幾丁質合成途徑[32]。

　　另一種胞內自主調控機制則是遵循細胞正常代謝途徑所需，利用半導體材料的電子或還原當量生產簡單有機小分子。如Sakimoto等建立了M.thermoacetica-CdS雜交體系，CdS經光照激發的光生電子產生還原當量[H]直接進入Wood-Ljungdahl途徑，驅動CO2經乙酰-CoA合成乙酸。Wood-Ljungdahl途徑是已知厭氧生物固碳途徑中能耗最低、路徑最短的途徑，符合細胞自主調節的能量分配原則[13]。

　　半導體-細胞雜交體系介導的生物催化發展極為迅速，已開發出若干細胞和半導體材料的組合。除光合雜交體系外，Daniil等開發了一種海膽狀磁性納米顆粒。附著在酵母細胞表面的磁性顆粒可經低頻磁場(100Hz)驅動而改變空間排布，在不影響細胞生存的范圍內改變細胞膜通透性，使釀酒酵母利用葡萄糖生產乙醇的轉化率提高了150%[33]。隨著對雜交系統的電子轉移機制及細胞能量代謝方式的深入研究，半導體合成生物學將為清潔能源開發、大宗化學品生產及高值藥物合成等提供重要技術支撐。

　　2依托半導體-智能細胞的新型生物傳感

　　生物傳感器(Biosensor)是一種可識別生物分子并將代謝物濃度轉化為光、電等信號的檢測儀器。它以生物敏感材料為識別元件，以可響應光、電、壓力、場效應等信號的材料為理化換能器，實現生物信號的轉換與輸出。自1967年第一個生物傳感器——葡萄糖傳感器[34]問世以來，科學家們以酶、抗體、細胞器、動植物組織等為特異性響應元件，開發出多種生物傳感器。傳統生物傳感器靈敏度高、特異性好，但功能有限。活細胞-半導體材料雜交體系可通過胞內生化反應實現對外環境的實時監測，且可對外界信號做出反應，從而執行普通生物活性材料無法完成的功能。這種新型智能生物傳感器在個性化診斷、疾病治療、微觀生物致動機器人開發等方面發揮重要作用。

　　3基于DNA的大規模信息存儲

　　目前，數據存儲介質大多是性能良好的半導體材料。數據存儲密度與材料的物理尺寸以及電路集成能力密切相關。然而，半導體材料構成的電路已接近其性能極限;此外，亞納米水平的集成也因元件間距過小而面臨量子干擾、庫倫阻塞等物理效應的限制。因此，開發新的數據存儲方法才能解決當今信息太多而存儲能力弱的矛盾。分子數據存儲是一種密集且持久的信息存儲方式，但半導體材料需在極低溫度下(約-210℃)才能保持單分子級的數據存儲性能，昂貴的冷卻系統限制了該方法大規模應用。DNA作為生物遺傳信息的載體，其獨特的生物學特性使其在存儲時間、存儲密度和數據讀取等方面具有優勢。

　　4總結與展望

　　半導體合成生物學利用材料科學的工具和方法去發展和調控生物系統，同時基于合成生物學思路開發新材料。生物學、材料學、電子學和計算機科學等多學科交叉可促進生物學與半導體技術的日益融合，衍生出具有重要價值的研究課題。

　　(1)半導體材料能高效吸收轉化光能、磁能、化學能，活細胞則將能量用于自身代謝并合成高附加值產品。用于生物催化的半導體-細胞雜合體系是目前研究熱點[73]。本課題組致力于工業微生物的遺傳改造和調控，其中包括將還原性三羧酸循環及C4模塊導入大腸桿菌，使其固定CO2而生產化學品。對于大腸桿菌等非光合細菌，該途徑提供的還原力及能量不足，而細胞與半導體材料耦合可彌補該缺陷，從而提高CO2利用率。材料與細胞表面的接觸對細胞間原有信號傳遞、生物被膜等造成干擾。如何減輕或平衡能量傳輸對細胞的負荷和不良刺激，加速能量傳遞，是發展半導體生物催化的關鍵。此外，經半導體材料傳輸的能量在進入細胞后會遵循胞內能量代謝方式，缺乏可控性。未來，利用合成生物學手段開發胞內多模塊間正交能量分配或許是新突破。

　　(2)半導體器件可放大信號、具有一定容錯性且響應速度快，適于調控復雜生物系統[45-46];而活細胞具有精密的基因表達及代謝能力，能夠執行無機材料無法完成的工作。二者結合將同時打破材料及生物系統等領域的技術瓶頸。例如，通過課題組之間的協作，我們以極端微生物為底盤細胞，將其與多重納米材料相結合，以便監測與修復環境。其中的工程細胞可感知環境中污染物的濃度，而半導體材料傳感器則負責信息的反饋;之后，信息集成模塊根據污染物的種類，通過不同信號輸入激活工程菌中相應的污染物降解途徑，從而實現“自感知-自反饋-多樣化處理”的目標。目前，生物傳感器的應用已經從基礎的物質檢測擴展到了復雜的生物醫療。然而，相對于半導體響應元件，人們對活細胞功能的開發程度還較低。今后，將外部傳感信號與胞內如群體感應(Quorumsensing)等自主交流方式相耦合，同時結合人工智能手段賦予細胞“感應-分析-指令-行動”等能力，有望使生物傳感技術邁向新臺階。

　　(3)DNA數據存儲是未來信息存儲的發展趨勢，其優點在于存儲密度大、易保存且受外界條件影響小。然而，DNA合成成本高以及讀取速度慢等缺點仍是挑戰。盡管如此，現有物種DNA圖譜復雜多樣，包含信息量巨大，若將DNA存儲的編碼算法與之耦合即可將生物基因組作為天然存儲單元，節約合成成本。此外，新一代測序技術助力DNA的精確和快速讀取。 未來半導體合成生物學仍將遵循“設計-構建-測試-學習”(design-build-test-learn)的閉環思路，在細胞、組織和系統各個水平不斷發展和優化生物-非生物雜合體系并拓展其應用。

　　參考文獻

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　　作者：王欣1，趙鵬1，李清揚2，田平芳1