2023年4月4日，哈尔滨工业大学黄鑫团队在《Nature Communications》发表了一篇题为Algal cell bionics as a step towards photosynthesis-independent hydrogen production的研究论文。该论文揭示了藻类细胞仿生学对非光合作用制氢的重要意义。
藻类细胞产生氢气的工程化早在1942年就开始了，基于利用光能捕获系统中的电子，在光合电子传递链的还原端驱动氢酶活性。然而，光合产氢是短暂的，通常仅在黑暗-光亮转换期间持续几分钟，因为伴随产生的光合氧强烈抑制了氢酶的活性。因此开发了基于厌氧发酵、呼吸增强、营养剥夺和耐氧氢化酶基因工程的策略，以消除氧气产生的负面影响。此外，最近的研究表明，诱导藻类细胞聚集，作为在空气中创造局部缺氧条件的策略是可行的。
本研究中开发了一种细胞仿生方法，将活体藻类细胞与导电聚合物的超薄外壳以及碳酸钙外骨骼相结合，形成一个离散的细胞微环境，能够持续进行光合和非光合作用氢气。表面增强的藻类细胞引起氧气消耗，并提供结构和化学稳定性，共同产生了局部缺氧条件和与之相伴随的氢酶活性，使其可以在空气中发生作用。
为了证实外部电子在氧浓度降低情况下的光合反应，作者测量了叶绿素荧光瞬态曲线和荧光动力学参数，以评估PSII对光能的吸收和捕获，以及随后的光合电子转移过程。荧光实验表明，对于在外部介质中添加EY和TEOA的PPy/CaCO3包被细胞，叶绿素荧光曲线中的Fm增加，表明PSII中D1蛋白的活性增强，从而有助于PSII电子受体的更高效率。此外，观察到了提高的电子传输量子产率（φEo），表明从PSII捕获的光能更高效地用于随后的传递过程。结合增强的Sm值，可以推测PQ库被扩大，更多电子通过光合作用链传递。此外，PSII反应中心的密度也增加，如每个CSm上减少的PSII中心数（RC/CSm）的改善所示。在光系统的特定能量通量方面，对于存在EY和TEOA的PPy/CaCO3包被细胞，单位激发截面（CSm）的吸收能量（ABS/CSm）和捕获能量（TRo/CSm）均得到增强，表明叶绿素吸收了更多光能，然后用于QA的还原。此外，单位CSm的电子转移能量（ETo/CSm）和还原终点电子受体（REo/CSm）也增加，表明还原的QA与电子传输的再氧化改善，并且更多的电子达到了电子传递链的末端。这些观察结果揭示了外部电子参与了小球藻细胞光合作用途径，并提高了光能吸收、捕获和传递的所有效率。因此，基于吸收（PIabs）、截面（PIcs）和能量转换（PItotal）的性能指数以及Fv/Fm值均得到了显著改善，表明PPy/CaCO3包被小球藻细胞成功内化了外部电子，并增强了光活性。
本研究中荧光实验所用的仪器是由北京雅欣礼仪科技有限公司自主研发的叶绿素荧光（Yaxin-1161G），该仪器是一款对叶绿素荧光动力学过程实现全面测量的精密仪器。测量过程都在人工光源下，最大限度避免了外界杂散光的干扰。以瞬态荧光方法为基础，结合调制与非调制的功能形成Yaxin-1161G的测量方法。它是对PSⅠ、PSⅡ工作状况进行分析的探针性工具，对荧光动力学的快相和慢相均可观测。更先进的产品已经上市，分别有Yaxin-1165植物荧光动力学测量系统和Yaxin-1168藻类荧光动力学测量系统。
本研究展示了一种细胞仿生学方法来增强绿色氢能的产生，将人工生物氢产生途径与自然光合作用集成到表面增强的藻类细胞中。基于活细胞和聚合物/无机杂化材料主动接口的方法，可以提供新的生物强化平台，并有助于开发新型的细胞活体材料和微生物细胞工厂，这些工厂在可持续能源生产和绿色生物制造中具有潜在应用。
