生物医学材料Frontierr

将先进导电材料集成到微生物电合成系统中，是将非生物性能与生物特异性结合的强大范式，促进有机废弃物和二氧化碳的可持续转化为增值化学品。调控生物杂交中生物-非生物杂交界面对于提高表面微生物丰度、增强电子注入和增加电合成产量至关重要。本研究中，采用马来酰亚胺功能化共轭聚合物（p（mNDI-gT2））通过与Shewanella oneidensis细胞色素硫醇基团的原位点击反应构建强健的共价生物界面，从而使细菌的粘附力翻倍。此外，密切接触和结合相互作用大幅降低界面电阻，增强电子注入。作为这一优化架构的直接结果，系统相较于裸S. oneidensis实现了23倍的电子转移提升，电化学还原提升了6倍。此外，它显然优于非共价组，总电荷输出提升了2倍，肉糖产率提升了2倍。分子对接模拟和蛋白质组分析共同表明，p（mNDI-gT2）不仅促进高效电荷转移，还主要上调关键呼吸和生物界面蛋白复合物的表达。从根本上说，这种共价生物-非生物界面超越了传统的体吸附方法，将范式从简单的微生物涂层转向分子层面界面工程。

该研究以题为“Maleimide-Functionalized Conjugated Polymers Enable Covalent Biotic–Abiotic Integration to Boost Microbial Electrosynthesis”发表在Advanced Materials上。

图1

基于p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统，通过p（mNDI-gT2）在生物-非生物界面共价积分实现高效生物电子摄取模型的示意图。

图2

p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统的构建与表征。（a） p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交模型的示意图。该生物杂交是通过将p（mNDI-gT2）（20微米）掺入电活性的S. oneidensis构建的。（b） 离心后p（mNDI-gT2）水溶液（绿色）和p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统上清液的紫外-可见吸收光谱（橙红色）。（c） p（mNDI-gT2）水溶液、裸S. oneidensis悬浮液和p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统在M9最小培养基中的表面势（n=3，平均±标准差）。CLSM图像中，（d）裸露的S. oneidensis和（f）p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统，采用标准LIVE/DEAD BacLight细菌存活性套件染色的M9最小培养基。（e）裸露的S. oneidensis和（g） p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统的SEM图像。（h） p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统在Luria Bertani（LB）培养基中孵育24小时后，对生物膜的共聚焦三维荧光图像。[p（mNDI-gT2）] = 20 μM。

图3

p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统的构造及电化学生物活性。（a）示意图，展示了p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交物如何促进生物电子还原过程中电子摄取的改善。（b） S. oneidensis与p（mNDI-gT2）（0−80 μM）在LB培养基中10小时内的微生物相互作用及生物相容性（n = 3，平均± SD）。（c）CV记录电压范围为0 V至−0.80 V，扫描速率为5 mV s−1， （d） 奈奎斯特图（插入图显示放大后的低阻抗区域），（e） 在30°C下24小时内的计时电流测量（CA）曲线，用于从富马酸盐以−0.70伏偏差（n个独立生物复制）生物电合成（n个）≥1在厌氧条件下，P（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统在厌氧条件下的h核磁共振光谱和（h）succinate产率，与裸S. oneidensis或p（eNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统作为对照组进行比较。

图4

p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交系统的性能及拟议机制。（a） 定量吸附在p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交电极上的附着生物质，以裸露的S. oneidensis电极为对照（n=3，平均标准差±）。代表性的扫描电子显微镜图像（b）裸露的S. oneidensis电极和（c）p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交电极在24小时CA后呈现。裸S. oneidensis电极和p（mNDI-gT2）/S. oneidensis生物杂交电极在24小时内每生物量的阴极总电子（n = 3，平均 ± SD）和（e）电子。裸S. oneidensis电极的（f） ATP和（g） NADH/NAD比值，以及p（mNDI-gT2）/S. oneidensis的

总结

围绕生物-非生物界面粘附弱、电阻高、电子注入不足的问题，研究用马来酰亚胺功能化共轭聚合物p(mNDI-gT2)与Shewanella oneidensis细胞色素硫醇基团原位点击，构建共价生物界面。细菌粘附翻倍，界面电阻下降，电子注入增强，电子转移提升23倍、电化学还原提升6倍，并明显优于非共价组。其核心是把传统体吸附和微生物涂层，推进到分子层面的界面工程。

分子对接和蛋白质组分析表明，该界面不仅改善电荷转移，还上调关键呼吸和生物界面蛋白复合物，使宏观性能与微观蛋白表达形成闭环。后续可拓展到其他电活性微生物和导电材料体系，同时关注界面选择性、长期稳定性、生物相容性及规模化制备，并进一步解析共价连接对呼吸链组装和产物选择性的调控，为微生物电合成界面设计提供可迁移思路。

参考文献：

DOI:10.1002/adma.75571

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