清华校友造出电生物模块，为电能与生物系统建立全新连接

近日，清华大学校友、德国马普陆地微生物所博士后罗姗姗和所在团队，成功设计并实现了一个合成“电生物模块”，它能将电能转化为 ATP（三磷酸腺苷，Adenosine triphosphate），从而为无细胞系统供能。

图 | 罗姗姗（来源：罗姗姗）

该模块名为 AAA 循环，是一个多步酶级联反应，可将储存在电子中的能量转化为 ATP 中的化学能。通过 AAA 循环再生 ATP，不仅不需要细胞膜的参与，而且反应步骤只有三到四步，是一个极简的“电生物模块”，为电能与生物系统之间建立起了新的连接。

日前，相关论文以《利用一种合成电生物模块以电能生产ATP》（ATP production from electricity with a new-to-nature electrobiological module）为题发在 Joule（IF 39.8），也是本期的封面文章。

罗姗姗是第一作者兼共同通讯，德国马普陆地微生物所教授托比亚斯·J·埃尔布（Tobias J. Erb）担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Joule）

概括来说，本次工作采用 AAA 循环实现了电产 ATP，并会带来很多潜在应用，比如用于构建电驱动的体外生物系统，从而实现固碳、固氮、生物合成等功能。

Science 也报道了这项工作并评论称：“这是一项令人激动的工作。”并表示“AAA 循环是一个聪明又精巧的设计。”

（来源：Joule）

科研圈的“念念不忘必有回响”

合成生物学大致可分为两种研究策略：自上而下法和自下而上法。自上而下法，与改造已有的生命系统相关；自下而上法，则是在体外从头构建生物系统从而实现特定功能。

与自然细胞相比，以人工方式从头构建的生物系统更为简化，更容易进行人工调控。并且在设计和构建自然界中不存在的生命组件和系统时，具有更大的自由度。

然而，如何可持续地驱动这些无细胞或体外系统实现特定功能，特别是为了生产高能化学品或实现二氧化碳固定，仍然是一个难题。

利用电能特别是基于可再生能源的电能，来驱动无细胞系统可谓是“一石二鸟”之举。

这不仅能解决无细胞系统的可持续供能的问题，还能将电能转化为生物能，从而助力于电能存储和利用。

要想用电能驱动无细胞系统，就得使用电能再生还原性辅酶，比如 NADH（Reduced nicotinamide adenine dinucleotide），和 ATP。

还原性辅酶是一种电子载体，本质上它和电能是同一种形式的能量。而使用电再生还原性辅酶的方法，此前已被学界成功建立出来。

然而，作为生命体的“能量货币”，ATP 的能量储存在其高能磷酸键之中，这种能量与电能是不同形式的能量。将电能直接转化为 ATP 中的化学能，是学界始终未能攻克的难题之一。

绝大多数细胞主要通过氧化磷酸化生产 ATP，但这是一个精妙又复杂的过程，需要细胞膜和多种复杂膜蛋白的协同作用，使其体外重头构建充满挑战。

正是在这种背景之下，罗姗姗开展了本次课题。

据介绍，她从读博期间就开始构想这个课题。当时，其博士导师给她提出一个问题：如何在体外利用可持续能源最好是电能来合成 ATP？

当时，罗姗姗也曾提出一些设想。但在仔细考量之后，她觉得可行性比较低，故将这一课题暂时搁置。但是，这个课题已经在罗姗姗心中种下一粒种子。

她说：“我还是会时不时地思考如何使用电能来生产 ATP。而且我的博士课题是在体外构建合成固碳途径，尽管我们在体外证明了新的途径，但是如何提供能量去驱动这些代谢途径在体外持续运转仍是一个难题。”

而假如可以解决上述问题，对于她的固碳研究也非常有意义。后来，在读博快结束的时候，罗姗姗构思出了 AAA 循环。

她继续表示：“其实我是在研究其他问题时无意中想到的。这让我有一种念念不忘，必有回响的感觉。”

理论上讲，这个循环的设计非常可行。不过，其中的一个关键酶不易得到。

在博士毕业之后，罗姗姗带着这个初步的想法，来到德国马普陆地微生物所从事博士后研究。

其博后导师也非常喜欢这个想法，随后该课题正式立项。研究中，他们先是确定了可用于实现 AAA 循环的酶。

接着，将循环分成还原分支和氧化分支两个部分，对它们分别进行验证之后，又对这两个分支进行整合，证明整个循环可以成功运转。在这一阶段，他们使用化学还原剂来驱动循环。

接着，再将循环与电化学系统相结合，利用电能驱动循环从而再生 ATP。

在证明电产 ATP 的可行性之后，他们又验证了关于该系统的应用能力，证明确实可以用来驱动化学反应，以及驱动体外的转录翻译过程。

事实上，在课题立项之后的大半年里，研究进展几乎为零。原因在于 AAA 循环中包含一个特殊的酶——醛氧化还原酶，这个酶包含特殊的金属离子并通常存在于一些厌氧菌中，因此醛氧化还原酶的异源表达和纯化都很困难。

罗姗姗曾尝试在大肠杆菌中，对几种醛氧化还原酶进行表达和纯化，却始终没有获得具有活性的酶。

“后来有一天，我的博后导师突然激动地找到我，跟我说他找到了醛氧化还原酶。原来，距离我们实验室不远的马尔堡大学团队已经从厌氧菌中纯化出了一种醛氧化还原酶，并已对其性质完成测定，正在准备发表论文。”罗姗姗说。

于是，罗姗姗所在团队迅速和马尔堡大学实验室开展合作，借此解决了构建 AAA 循环的一大难题。

（来源：Joule）

罗姗姗总结称：“整体来看这项电产 ATP 的成果，是一个基于交叉学科的合作型工作。在和酶方面的专家、电化学家以及化学家的合作之下，才实现了这个看似简单的构想。”

不过，目前这项工作更多是一个概念性的证明，和最终投入实际应用还有一定距离。但是，罗姗姗希望本次成果可以提供一种新的思路：即生产 ATP 不一定需要膜系统和 ATP 合成酶，通过循环反应也可以收集来自电子的能量用来再生 ATP。

下一步，罗姗姗希望将电产 ATP 系统和固碳循环结合起来，从而在体外系统中实现电驱动的二氧化碳固定和转化。

生于新疆伊犁，求学中美德，年底即将回国

据了解，罗姗姗是新疆伊犁人，是一名在伊宁市出生和长大的汉族女生。

2007 年，她考入清华大学化学工程系，专业是化学工程与工业生物工程。本科阶段，她逐渐意识到能源危机和环境危机，已经成为人类尤其是我们这代人面对的巨大挑战。

由于罗姗姗对生物特别感兴趣，于是在申请博士的时候，她特意申请了一些和生物能源相关的实验室。

后来，她收到了美国加州洛杉矶大学廖俊智（James C. Liao）教授发来的 offer。刚读博的时候，罗姗姗的研究方向是生物能源。

后来，罗姗姗博士导师的重点开始转向二氧化碳固定和转化。随后，她和当时所在团队开始设计一些合成代谢途径来固定二氧化碳。

不过，罗姗姗也直言：“我在读博早期的几个课题和二氧化碳固定并没有直接关系，而且这些课题的进展也很不顺利。”

但是，罗姗姗对于二氧化碳固定特别感兴趣，最终在博士四年级时设计出一条人工固碳循环，自此开始了在体外构建人工固碳循环的工作，相关论文也于 2022 年发表在 Nature catalysis[2]。

博士毕业之后，罗姗姗想继续研究生物固碳。于是，她来到德国并加入马普陆地微生物所。

在德国，罗姗姗的研究主要分为两条线：一是设计和证明了新的人工固碳循环，二是成功做出了使用电产 ATP 的成果（即本次发在 Joule 的论文）。

（来源：Joule）

2023 年底，罗姗姗即将回国寻找教职。她表示：“职位目前还没有确定，正在联系中。欢迎对我研究感兴趣的高校或研究机构联系我。”

参考资料：

1.Luo, S., Adam, D., Giaveri, S., Barthel, S., Cestellos-Blanco, S., Hege, D., ... & Erb, T. J. (2023). ATP production from electricity with a new-to-nature electrobiological module. Joule, 7(8), 1745-1758.

2.Luo, S., Lin, P.P., Nieh, LY. et al. A cell-free self-replenishing CO2-fixing system. Nat Catal 5, 154–162 (2022). https://doi.org/10.1038/s41929-022-00746-x