光合微藻 Chlamydomonas reinhardtii 驱动的pH响应双层水凝胶活体软执行器及其光控可逆变形

《Nature Communications》：Light-powered photosynthetic living actuator

　　

光驱动光合活体执行器
摘要：高顺应性可变形软执行器使自适应类生命系统的工程化成为可能。生物杂化活体材料拓展了自主、自供能、环境响应且易于生物整合系统的可能性。在此，研究人员提出一种光驱动活体软执行器，其将光合微藻 Chlamydomonas reinhardtii 与pH响应型聚(3-(丙烯酰胺基)苯硼酸-丙烯酰胺)/聚丙烯酰胺（poly(3-(acrylamido)phenylboronic acid-acrylamide)/polyacrylamide，P(AAPBA-AAm)/PAAm）双层水凝胶整合。光照下，微藻通过光合作用和氮同化（N-assimilation）使聚合物网络局部离子化，导致双层执行器弯曲。黑暗中，微藻通过呼吸局部释放CO₂，使聚合物链质子化，从而逆转形变。该藻类执行器实现精细可控且可逆的运动，在18 h内达到大弯曲幅度，初始响应时间为10-20 s，并在连续运行10个循环中保持。研究人员展示了光控抓手，凸显藻类供能致动用于可持续和自主软器件的潜力。

软执行器（soft actuator，可变形器件）可将多种刺激与能量输入转化为可编程机械运动，具有顺应性并更接近自然触觉和肌肉运动，已用于人工肌肉、软抓手、可穿戴器件和触觉器件。活体执行器利用活生物驱动，可规避笨重电源与控制或复杂电气系统；活体材料（living materials）将活细胞嵌入结构，细胞既提供功能，又从环境获取能量和营养。但活体执行器仍面临长期稳定性差、细胞活力要求严格、可逆性有限和触发条件严格等问题。光合微生物可利用大气CO₂、不依赖有机碳源，已被用于光合服装、为其他活组织/细胞供氧、光电产生、光驱动机械增强或生物矿化，但光合执行器尚待探索。为此，研究人员构建了由 Chlamydomonas reinhardtii 生物膜与pH响应P(AAPBA-AAm)/PAAm双层水凝胶组成的光驱动活体软执行器，并证明活微藻的光合、氮同化和呼吸代谢可局部调制水凝胶pH，驱动可逆弯曲。该研究发表于《Nature Communications》，其意义在于为可持续、自主和环境响应的软器件提供无需外部能量输入、无需复杂机械部件且无需基因改造的活体致动策略。

关键技术方法（不超过250字）：研究采用 Chlamydomonas reinhardtii CC-1690（Chlamydomonas Resource Center），构建P(AAPBA-AAm)/PAAm双层水凝胶并经7天微藻培养形成生物膜；以定时摄像测量弯曲角，FT-IR判定聚合物局部离子化/局部pH，流变与SEM表征储能模量（G′）和孔结构，共聚焦叶绿素自发荧光定量生物膜厚度与细胞密度，脉冲振幅调制（pulse-amplitude modulation，PAM）荧光测定F_v/F_m（光系统II最大量子产率），并用DCMU（3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea）和热失活对照验证代谢驱动。

结果如下。Drivers of pH fluctuations in microalgal cultures：研究人员通过去除Tris缓冲、乙酸盐并将氮源改为NaNO₃，在6 h光/18 h暗循环下监测培养液pH，发现至少14个循环的可逆pH波动；代表曲线显示光照2.7 h内由8.1升至10.8、6 h近11.0，暗18 h回8.1。机制涉及光合HCO₃^?利用与CO₃^2?转化耗H⁺、NO₃^?同化耗H⁺及H⁺共转运/OH^?外排，暗期呼吸释放CO₂和大气CO₂被动吸收致酸化；NH₄NO₃仅引起轻微振荡。结论：微藻光依赖代谢可产生约pH 8–11的波动。pH-responsive hydrogel：通过共聚AAPBA与AAm构建P(AAPBA-AAm)活性层和PAAm被动层，并以FT-IR、弯曲角、溶胀比、流变和SEM表征；pH升高使硼酸基团离子化并溶胀，PAAm不响应，双层向PAAm侧弯曲，pH降低时氢键收缩并正向弯曲；pH 3/11交替30天保持性能，pH 11下P(AAPBA-AAm)溶胀比达412%，PAAm约140.9%。Strategy for integrating microalgae on hydrogel surface：将双层水凝胶浸入微藻培养7天，通过定时摄像、共聚焦叶绿素自发荧光和图像分析，发现形成生物膜且P(AAPBA-AAm)侧优先定殖，生物膜厚度由第1天25.9±9.7 μm增至第7天71.3±3.6 μm，PAAm侧由2.0±3.4 μm增至43.2±19.4 μm；P(AAPBA-AAm)侧细胞密度第1天达(547.4±76.6)×10⁶ cells mL^?1，PAAm侧较低但第7天接近。Dynamic response of light-powered algae living actuator：在无藻新鲜NaNO₃ minimal medium中行3 h光/15 h暗测试，光致右弯、暗期回复，无细胞双层无响应；环境pH仅由光末9.2±0.04降至暗末8.3±0.04，FT-IR估计局部pH约对应7–8、9、10–11，Tris缓冲可阻断响应；光强降低使弯曲幅度下降，DCMU使弯曲方向逆转并消除后续光响应，热失活执行器无弯曲而浸回新鲜藻培养可恢复响应，表明活微藻代谢局部pH驱动致动；10次循环幅度约300°，F_v/F_m在6天内为0.63–0.73，60天后仍具光响应，短周期10 min光/30 min暗仍可逆且初始响应暗期10 s、光照约20 s。Proof-of-concept demonstrators：通过阻断力测定和抓手/花形演示，15 h光照最大力0.8±0.2 mN；四指抓手抓取18.4 mg球，钩形抓手抓取52.5 mg橡胶带，花形执行器5 h开放、10 h闭合；含藻P(AAPBA-AAm)层G′由暗期5017±393 Pa降至光照1467±534 Pa，PAAm约2550 Pa基本不变，表明机械完整性保持。

讨论认为，该工作将活体光合生物作为能量转换器，利用单细胞微藻固有光合与代谢活动驱动水凝胶完全可逆机械致动；该系统无需外部能量输入、复杂机械部件或基因改造，规避工程生物环境释放的生物安全担忧，并可从阳光直接获能且固定大气CO₂，有潜力降低机器人碳足迹；执行器在同一培养液中连续循环至少2个月后仍保持功能，藻类对温度、盐度和光强变化的耐受性增强器件韧性，潜在应用于水下机器人、农业自动化、芯片实验室流体控制、艺术设计及活体/组织机械刺激。研究结论可译为：本工作提出一种以活体光合生物作为能量转换器的软执行器设计策略。研究表明，单细胞微藻固有的光合和代谢活动可驱动水凝胶中完全可逆的机械致动。与现有软执行器不同，该光驱动系统无需外部能量输入、无需复杂机械部件、无需基因改造，从而规避工程生物环境释放相关的生物安全问题；其致动完全源自自然光合作用，可直接从阳光收集能量并同时固定大气CO₂。该方法有潜力较常规机电系统乃至其他基于生物杂化活体材料的方法显著降低机器人碳足迹。除可持续性外，该执行器实现更高自主性，并在同一培养液中连续循环至少2个月后保持功能；藻类固有鲁棒性可耐受温度、盐度和光强变化，增强器件韧性，适合水下机器人、农业自动化、芯片实验室流体控制、艺术设计或活体/组织机械刺激等潜在场景。