哈工大韩晓军教授课题组，Small：包封蓝藻的光捕获人造细胞用于CO2固定及后续代谢模拟

第一作者：杨博宇

通讯作者：韩晓军*

单位：哈尔滨工业大学

人造细胞为模仿一种或多种细胞特征（膜、新陈代谢、分裂等）的自下而上构建的结构。这些结构有助于深入了解细胞的工作机制，为生物进化提供线索。能量供应和代谢模拟是人造细胞领域的关键问题。将光能转化为化学能并驱动二氧化碳固定的光合作用过程难以在人造细胞内模拟。

基于此，来自哈尔滨工业大学的韩晓军教授课题组，在国际知名期刊《Small》上发表题为“Light-Harvesting Artificial Cells Containing Cyanobacteria for CO₂ Fixation and Further Metabolism Mimicking”的文章。

针对人造细胞领域的能量供应和代谢模拟问题，构建了一种含有蓝藻的人造细胞。该细胞可利用蓝藻将光能转化为化学能，将CO₂固定为葡萄糖分子。在此基础上，研究了从葡萄糖分子开始的下游代谢途径，在人造细胞内实现了NADH/NAD⁺级联循环。

通过电形成法将蓝藻包封在巨型单层囊泡（GUV）中。利用孔径为10 μm的聚碳酸酯膜过滤去除人造细胞外未被包封的蓝藻。通过在电形成过程中改变溶液中蓝藻的浓度，可以大致控制人工细胞内包封的蓝藻数量。

图1. 人造细胞的包封效率、包封蓝藻个数及代表性显微镜图片。

要点二：人造细胞内蓝藻作为能量供应的“细胞器”

人造细胞内，蓝藻被用作细胞器，模拟真实细胞内将光能转化为化学能的叶绿体。在光照条件下，蓝藻可以在人造细胞内部产生葡萄糖。在光照24小时后，将Amplex red以扩散的方法引入到人造细胞内。蓝藻代谢产生的葡萄糖被人造细胞“细胞质”中葡萄糖氧化酶（GOx）催化生成H₂O₂。“细胞质”中的H₂O₂和Amplex red被辣根过氧化物酶(HRP)进一步催化反应生成具有荧光的试卤灵。

图2. 人造细胞中蓝藻作为“细胞器”与“细胞质”之间的化学通讯。

要点三：人造细胞内NAD⁺/NADH级联循环

NAD⁺/NADH的级联循环为氧化还原反应提供动力，直接或间接调节细胞生化过程，与代谢网络具有高度相关性。在此，人造细胞内通过蓝藻光合作用产生的葡萄糖在葡萄糖脱氢酶（GDH）的作用下被还原为葡糖酸内酯，伴随NAD⁺到NADH的转化。在人造细胞内引入丙酮酸，实现了将丙酮酸转化为乳酸的NADH依赖型反应，伴随NADH到NAD⁺的转化。

图3.含有蓝藻的人造细胞内的NADH/NAD⁺级联循环。

Light-Harvesting Artificial Cells Containing Cyanobacteria for CO₂ Fixation and Further Metabolism Mimicking

韩晓军教授简介：韩晓军，教授，博士生导师，国家级高层次人才，英国皇家化学会会士 (Fellow of the Royal Society of Chemistry, FRSC)，教育部化工类专业教学指导委员会委员，中国化学会高级会员，新世纪优秀人才，黑龙江省杰出青年科学基金获得者。主持承担国家自然科学基金等基金项目20多项。

迄今在Nature Communications, Adv.Mater, ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater, Angew. Chem. Int. Ed 等刊物上发表了190多篇SCl论文。独立撰写“十二五”国家重点图书1部，此外撰写5部专著中的5章，获得授权国家发明专利40项。

韩晓军教授个人主页：http://homepage.hit.edu.cn/pages/xiaojunhan

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