传统的生物制造，要经过 “太阳能→光合生物→糖→微生物→产品” 的漫长路径，层层能量损耗下来，整体光能利用率甚至不到 0.05%。如果能跳过中间的 “光合中转站”，让微生物直接用上太阳能，生物制造的效率和成本都会迎来质的飞跃。
最近，中国科学院深圳先进技术研究院的高翔团队，联合南京大学王元元团队、上海交通大学杨琛团队，就实现了这个目标，他们给非光合的工业微生物装上了 “内置太阳能电池”，让它们直接用光驱动废弃碳源，高效合成高附加值化学品，相关成果发表在《自然 — 可持续发展》上。
图片来源：中国科学院深圳先进技术研究院
要让工业微生物直接用光，首先得给它们一套能捕获光能的 “装备”。
研究团队把目光投向了半导体纳米材料 —— 这类材料可以像植物的叶绿素一样，吸收太阳光产生电子，也就是所谓的 “人工捕光天线”。为了找到最优的 “天线”，他们合成了零维、一维、二维等不同形貌的半导体材料，系统优化它们的光吸收性能。
为了精准筛选材料，研究人员借助一系列表征仪器开展测试：
• 用 透射电子显微镜（TEM） 观察不同材料的微观形貌，确认材料的尺寸与结构；
• 通过 扫描透射电子显微镜 - 能谱（STEM-EDS） 分析材料的元素组成与分布，保证材料的纯度；
• 利用紫外 - 可见分光光度计测试不同材料的光吸收能力，筛选出吸光范围最广、效率最高的材料；
• 结合 原子力显微镜（AFM） 对二维材料的厚度、平整度进行表征，确保材料的光电性能。
最终，团队选中了二维半导体纳米材料，更关键的是，他们没有像传统方法那样把材料放在细胞外面，而是把这套 “捕光天线” 直接送进了细胞内部！
为了确认材料成功进入了细胞，研究人员利用3D X 射线荧光光谱和 STEM-EDS 对细胞进行了元素成像，清晰地看到了半导体材料的元素在细胞内的分布，证实了 “入胞式” 设计的成功。
这种设计直接把电子传输的距离从跨膜的微米级，缩短到了胞内的纳米级，彻底解决了传统胞外材料电子传递损耗大的问题，光生电子可以直接在细胞内部参与代谢，真正实现了从 “外部供能” 到 “内部驱动” 的转变。
装好了 “捕光天线”，还要解决一个问题：这些无机的光电子，怎么才能被细胞的代谢系统用上？
为了搞清楚光电子在细胞内的流向，团队开展了多组学联合分析：
他们用超高效液相色谱 - 串联质谱仪（UPLC-MS/MS）对光照前后的细胞代谢物进行了全面的定性定量分析，同时利用Illumina 高通量测序平台完成了转录组测序，对比光照和黑暗条件下细胞的基因表达差异。
分析结果让他们有了新发现：焦磷酸硫胺素（TPP）相关的代谢通路，在光照条件下显著上调！
进一步的实验证实，TPP 就像一座 “桥梁”，把无机的光电子，转化成了细胞可以利用的能量分子 ——NAD (P) H 和 ATP，完美打通了光电子到细胞代谢的通路。为了验证这一点，研究人员还通过电化学工作站进行了光电流测量，证实了光生电子可以通过 TPP 高效传递到细胞的代谢网络中。
图片来源：Nature Sustainability 研究论文
这意味着，团队不仅给细胞装了 “捕光天线”，还帮细胞重构了胞内的 “电子流通路”，让太阳能可以精准转化为细胞的生物能量，从机制上夯实了太阳能驱动生物制造的基础。
有了这套系统，人工光合工程细胞的能力到底有多强？
研究人员在光照培养箱中完成了小试培养，通过 高效液相色谱（HPLC） 对产物进行定量检测，结果显示，这套工程细胞可以合成多种高附加值产品：
• 化工原料 2,3 - 丁二醇（BDO）
• 可降解生物塑料 PHB
• 航空燃料前体 α- 法呢烯
而且，它还能 “吃垃圾”—— 海藻提取物甘露醇、秸秆水解液、工业糖蜜废水，这些废弃碳源，它都能用来合成产品，真正实现了变废为宝。
为了验证这套体系能不能规模化生产，团队进一步在5 升搅拌式发酵罐中开展了中试发酵实验，用工业糖蜜废水作为主要原料，最终 BDO 的产量达到了 30.71 克 / 升，这是目前人工光合体系中，合成长碳链化学品的最高产量之一，充分证实了这套体系的产业化潜力。
图片来源：Nature Sustainability 研究论文
“相比传统的生物制造方法，这种新型人工光合工程细胞，能显著减少温室气体排放，降低生产成本，有很好的环境可持续性和产业化潜力。” 论文通讯作者高翔研究员说。
这项研究，在细胞内部建立了太阳能到生物能量的高效转化通路，实现了太阳能和生物制造的深度融合，为可再生能源直接驱动绿色化学品生产提供了全新的范式。
未来，团队还将继续融合合成生物学、材料科学和能源化学的优势，拓展 CO₂、废塑料、工业废水这些非粮碳源的高值化利用，推动太阳能驱动的生物制造，向着更高效率、可扩展、可持续的方向发展。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41893-026-01787-x
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