通过基因改造的硫代谢实现半人工光生物催化，从而在原位组装出一种太阳能-生物杂化体系，用于抗生素的降解

《Bioresource Technology》：Semi-artificial photobiocatalysis via genetically modified sulfur metabolism to in situ assembly of a solar-biohybrid for antibiotic degradation

　　

戴书涵|牛磊|吕一然|张浩然|徐莉|廖远|胡晓萍|谢小曼|闫金勇|闫云军

教育部分子生物物理学重点实验室，华中科技大学生命科学技术学院，中国武汉

摘要

这种太阳能驱动的半人工生物混合系统结合了半导体材料和微生物代谢机制，为通过光催化降解抗生素提供了一种创新策略。在本研究中，利用CRISPR-Cas9和Cre-loxP位点特异性基因编辑系统对生物细胞的硫代谢途径进行了合理改造，成功实现了细胞内硫化物积累量达到552.84 ppm。基于这一能力，In(Ⅲ)被原位吸附到细胞表面，从而自组装出光敏的In₂S₃纳米颗粒（NPs）。由此形成的无机-生物混合系统In₂S₃-细胞表现出宽光谱的光吸收能力，其理想的光学带隙为1.96 eV。光电化学分析证实了电荷转移过程以及细胞质中氧化还原辅因子的再生机制。光生成的电子直接形成ROS用于四环素的氧化，并传递给细胞以增强细胞内还原辅因子的再生。这种光驱动的光催化生物混合系统能够在4小时内高效降解超过98%的四环素，并在连续循环中表现出优异的稳定性。转录组分析确定了参与太阳能捕获、电子传输和代谢调控的关键基因，阐明了它们在生物制造过程和光催化降解中的功能作用。本研究从电子和分子的角度出发，为生物-非生物系统提供了一个自下而上的范例，以开发高效且可持续的抗生素修复和太阳能转换技术。

引言

抗生素在制药生产、医疗设施、农业和水产养殖等生态系统中的广泛存在对环境和公共健康构成了重大风险（Daisley等人，2025年）。由于这些生物活性化合物的结构稳定性，它们在水环境中持续存在，促进了抗生素抗性基因（ARGs）在微生物群落中的传播，同时可能破坏关键的生态平衡（Abbas等人，2024年；Ntallis等人，2025年）。传统的物理化学处理方法在消除这些微量污染物方面往往效果有限，因为它们的抗菌特性可能会产生有毒的消毒副产物，从而降低降解效率和系统稳定性（Wang等人，2025c年）。这一关键挑战凸显了迫切需要开发创新、可持续且经济高效的策略，以便在废水处理系统中有效降解抗生素（Jiang等人，2025年）。

半人工光生物反应器（SAP）生物混合系统作为一种有前景的策略应运而生，它将半导体材料的优异光吸收能力与活微生物复杂的代谢途径和催化特异性相结合（Cestellos-Blanco等人，2020年）。在光照下，半导体产生电子-空穴对，这些电子-空穴对可以直接传递给电活性微生物，从而增强其天然的还原代谢过程，实现高效污染物转化和降解（Wang等人，2024年）。这种方法避免了对外源性电子供体的依赖或通常在生物电化学系统中所需的复杂反应器设计（Huang等人，2024年）。从机制角度来看，无机-生物界面之间的高效电荷转移对于生物混合系统的性能至关重要，类似的原理已在生物电子系统中得到系统探索，其中整合了多种电荷转移过程（例如法拉第路径和电容路径）以实现稳定的离子-电子传输（Hu等人，2024年）。

硫化镉（CdS）因其适合可见光吸收的带隙而在生物混合系统中得到了广泛研究（Xing等人，2023年；Yang等人，2024年）。成功的应用包括降解偶氮染料、还原六价铬（Cr（VI）以及转化抗生素（Yi等人，2022年；Zhang等人，2023年）。然而，使用CdS会引发Cd²⁺渗漏及其固有的毒性问题，这可能影响微生物的生存能力和系统的长期稳定性（Calvo-Olvera等人，2021年）。为了缓解这些限制，已经开发了多种策略，如与其他半导体构建异质结来增强基于CdS的光催化剂（Rajendran等人，2019年；Tamilarasu等人，2024年）。尽管这些方法改善了电荷分离和催化效率，但并未消除CdS的固有毒性，这突显了需要寻找环境影响较小的替代光敏剂。生物混合系统的系统设计主要关注原核电活性细菌（例如大肠杆菌、Shewanella oneidensis MR-1和Vibrio natriegens）（Han等人，2022年；Lin等人，2023年；Pi等人，2023年），但其具体的分子合成机制、关键酶和调控网络仍不清楚。这一限制阻碍了通过基因工程方法对系统进行合理设计和优化。为了进一步提高生物混合系统的组装和运行效率，新的策略应探索更广泛的微生物种类或利用基因工程策略来定制它们的电子转移途径和半导体集成能力。

真核微生物，特别是酵母，在生物混合系统的开发中具有显著优势，包括更广泛的底物谱系用于有机污染物降解以及更强的环境压力耐受性（Sun等人，2020年）。其中，Yarrowia lipolytica是一种油质非传统酵母，以其卓越的代谢灵活性和在恶劣环境中的生存能力而闻名，同时具有降解多种疏水性有机化合物（包括烷烃、脂质和一些外源物质）的高能力（Zhou等人，2021年；Zhu等人，2025年）。关键的是，其成熟的遗传操作系统为合理设计光合生物混合半导体提供了独特的机会（Guo等人，2018年；Hu等人，2024年；Liu等人，2025年），这一途径在当前的生物混合研究中尚未得到充分探索。

同时，开发具有更低毒性和更高效率的替代半导体材料对于推进环境可持续的半导体生物混合技术至关重要。硫化铟（In₂S₃）是一个有前景的候选材料，它对可见光具有响应性，具有最佳的光学带隙和有利的导带电位，从而增强了污染物的还原能力（Mishra等人，2024年；Sambyal等人，2025年）。重要的是，In₂S₃的较低生态毒性使其成为生物混合系统的环境友好选择（Mishra等人，2024年）。此外，已经报道了通过结合微生物和InP纳米颗粒组装的无机-生物混合系统，这些系统展示了基于铟的光敏半导体的优异性能（Guo等人，2018年；Liang等人，2023年；Liu等人，2022年；Wen等人，2022年）。这些系统结合了合理设计的代谢途径和光照半导体的电子捐赠能力，用于化学生产（Ding等人，2019年）。除了毒性考虑外，设计用于生物混合应用的半导体材料还可以从串联催化系统中获得灵感，其中功能解耦（例如空间分离反应步骤）能够精确控制反应途径并提高整体效率（Tian等人，2024年）。这些原理为优化生物混合系统中的光吸收、电子转移和生物催化转化之间的协调提供了有价值的框架。然而，生物自组装方法和光致发光化学特性的优化仍需进一步研究。

在这项研究中，通过将经过代谢工程改造的真核酵母Y. lipolytica与低毒性的In₂S₃纳米颗粒结合，开发了一种新的抗生素污染修复策略。工程化的酵母产生了足够的硫化物，实现了原位合成生物相容的In₂S₃纳米颗粒，并展示了强大的界面整合能力。所开发的系统表明其在可持续环境生物技术方面具有潜力，为传统处理方法提供了一种生物相容且节能的替代方案，解决了当前生物混合系统中半导体毒性和真核宿主兼容性有限的关键问题。

部分摘录

质粒、菌株和试剂

来自Desulfolithobacter dissulfuricans GF1的Sat基因经过密码子优化并进行了合成。通过使用含有特定sgRNA的pURCyl针对特定的基因编码序列，通过聚合酶链反应（PCR）和Gibson组装方法，实现了MET25, YALI0F14047或COD的失活。在硫酸盐同化途径中过表达DdSat、CyscC、CysH和CysJI，以及在半胱氨酸代谢反应中过表达CBS、CSE、3-MST和CD（Yadav等人，2015年）

在Y. Lipolytica中通过基因改造硫代谢以实现高效硫化物积累

真菌中的无机硫代谢途径涉及将硫酸盐通过四步酶促反应转化为硫化物（Linder，2018年）。为了改造能够积累硫化物的Y. lipolytica，我们使用CRISPR-Cas9系统破坏了硫代谢途径中的关键基因，并使用Cre-loxP系统过度表达这些基因（图1）。

获得了一个双基因破坏的菌株EY-101（涉及基因MET25和YALI0F14047g），命名为ΔMY57（图S1，S2）。此外，为了提高硫化物产量，还

结论

在这项研究中，我们使用野生型Y. lipolytica Po1h作为模型，构建了一个含有自组装In₂S₃半导体的生物-非生物光合系统。通过优化双模块基因途径，得到了EY-300菌株，其硫化物积累量达到了552.84 ppm。这种新型的EY-In₂S₃生物混合体是原位生物合成的，并通过可视化分析（包括光谱表征）进行了研究。光电性质表明

CRediT作者贡献声明

戴书涵：撰写——原始草稿，可视化，方法学，数据管理，概念化。牛磊：验证，软件。吕一然：方法学，研究。张浩然：资源，数据管理。徐莉：资源，概念化。廖远：方法学，研究。胡晓萍：可视化，资源。谢小曼：撰写——审阅与编辑，形式分析。闫金勇：方法学，研究。闫云军：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（资助编号：41972319、32170090和31971206）和中央高校基本科研业务费（2020kfyXJJS119）的支持。我们衷心感谢华中科技大学分析测试中心、生命科学技术学院的仪器共享平台以及eceshi提供的宝贵帮助和先进设备的使用权。