摘要：半導(dǎo)體合成生物學(xué)是研究半導(dǎo)體技術(shù)與合成生物學(xué)之間協(xié)同作用的一門交叉學(xué)科。其涉及的活細(xì)胞-半導(dǎo)體材料雜合體系具有獨(dú)特的能量和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，不僅維持活細(xì)胞的代謝能力，而且保留半導(dǎo)體材料的光電學(xué)物理特性，在化工、通訊、計(jì)算、能源及醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。本文綜述了半導(dǎo)體合成生物學(xué)在生物催化、智能生物傳感以及新型DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，討論了目前研究面臨的技術(shù)難題及解決方案，旨在為合成生物學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)這兩個(gè)影響化工發(fā)展的領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考。

　　關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體合成生物學(xué);細(xì)胞-無機(jī)材料界面;信號(hào)輸入;信息存儲(chǔ)

　　引言

　　合成生物學(xué)(Syntheticbiology)是從最基本要素開始設(shè)計(jì)和構(gòu)建新生物體系，或修改現(xiàn)有生物體系的一門交叉學(xué)科[1-2]。近年來，人工基因電路已取得顯著進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上耦合半導(dǎo)體材料形成了生物-非生物混合體系(Living-nonlivinghybridsystem)。在該雜合體系中，人工細(xì)胞可與半導(dǎo)體材料建立聯(lián)系，由此形成一個(gè)新的研究方向—―半導(dǎo)體合成生物學(xué)(Semiconductorsyntheticbiology/SemiSynBio,SSB)‖。半導(dǎo)體合成生物學(xué)探索工程細(xì)胞與半導(dǎo)體材料之間的協(xié)同作用。無論是半導(dǎo)體材料還是細(xì)胞，二者都涉及電子的受控流動(dòng)，區(qū)別在于半導(dǎo)體材料涉及物理現(xiàn)象中電子在線路中的長程運(yùn)動(dòng)，而細(xì)胞則涉及化學(xué)反應(yīng)中電子在分子間的短程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)半導(dǎo)體縮小到物理極限時(shí)，就能幾乎匹配活細(xì)胞以化學(xué)方式處理的電子傳遞。

　　生物學(xué)論文投稿刊物：《中國病原生物學(xué)雜志》是由衛(wèi)生部主管，中華預(yù)防醫(yī)學(xué)會(huì)、山東省寄生蟲病防治研究所主辦的國家級(jí)學(xué)術(shù)性期刊，80頁，月刊，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN11-5457/R，國際連續(xù)出版物號(hào)：ISSN 1673-5234，全年定價(jià)：120元，國內(nèi)外公開發(fā)行，郵發(fā)代號(hào)：24-81。

　　因此在半導(dǎo)體合成生物學(xué)領(lǐng)域，物理信號(hào)將超越以往簡單的傳遞方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞-半導(dǎo)體間的雙向通信，即一方面細(xì)胞能接收來自半導(dǎo)體的電、熱、機(jī)械等物理信號(hào)，從而調(diào)控其代謝行為;另一方面半導(dǎo)體材料也能感知來自細(xì)胞的電子、代謝物及生物大分子等信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)或信號(hào)的輸出[3]。由此可見，半導(dǎo)體合成生物體系包括：(1)以活細(xì)胞為感應(yīng)基礎(chǔ)的“生物前端”層;(2)以非生物材料為信息計(jì)算模塊的“半導(dǎo)體后端”層。因此，該研究方向?qū)儆诮徊鎸W(xué)科，具有理論和應(yīng)用雙重意義。本文綜述了近年來半導(dǎo)體合成生物學(xué)具有代表性且發(fā)展迅速的領(lǐng)域。

　　1半導(dǎo)體-細(xì)胞雜交光合體系介導(dǎo)的生物催化

　　為滿足日益增長的能源需求并克服化石燃料的局限性，人們正在尋求可持續(xù)的新能源生產(chǎn)方法。光合作用對(duì)碳元素的利用率接近100%，但整個(gè)過程的能量轉(zhuǎn)換效率非常低(一般在5%以下)[4]。固態(tài)半導(dǎo)體光吸收器比生物體更能有效地捕獲光，能量轉(zhuǎn)換效率接近20%(Shockley-Queisser極限為33.7%)[5-6]。因此，將高選擇性生物催化體系和高效光收集器進(jìn)行集成，建立混合系統(tǒng)，其碳利用效率將超過天然光合作用[7-9]。該半導(dǎo)體-細(xì)胞混合體系包括三部分：細(xì)胞、半導(dǎo)體材料及界面接口。細(xì)胞通過復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)與外環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換。

　　非光合微生物例如大腸桿菌(Escherichiacoli)[10]、酵母菌(Saccharomycescerevisiae)[11]、卵形鼠孢菌(Sporomusaovata)[12]、熱醋穆爾氏菌(Moorellathermoacetica)[13]和羅爾斯通氏菌(Ralstoniaeutropha)[14-15]等已被開發(fā)為半導(dǎo)體-細(xì)胞雜交體系進(jìn)行人工光合作用。在這種混合雜交系統(tǒng)中，厭氧菌能在有氧條件下接收外界非生物組件傳遞的信號(hào)或還原當(dāng)量，之后利用細(xì)胞內(nèi)特有途徑進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)，從而合成化學(xué)品或能源燃料。非生物部分應(yīng)具有親微生物表面，可促進(jìn)材料和微生物的穩(wěn)定整合。

　　與聚合物和金屬相比，半導(dǎo)體材料因其在生物界面處的多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制而更適用于電子和光子生物界面。同時(shí)，高性能無機(jī)半導(dǎo)體可被精確制造成各種納米級(jí)結(jié)構(gòu)，以匹配亞細(xì)胞和分子成分的大小。例如，硅納米線(SiNWs)的直徑(d=1~100nm)比哺乳動(dòng)物細(xì)胞(dcell≈10μm)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且具有較大的長徑比(~103)，這有助于在分子水平上研究復(fù)雜的信號(hào)調(diào)控模式[16]。除硅(Si)[17]之外，常見的非生物體部分還包括磷化銦(InP)[11]、硫化鎘(CdS)[13,18]、磷酸鈷(CoP)[19]、金納米團(tuán)簇(AuNCs)[20]、石墨相碳氮化物(g-C3N4)[14-15]等半導(dǎo)體材料。生物體和非生物體之間的耦合需要穩(wěn)定且高效的界面接口，如此才能構(gòu)建與自然系統(tǒng)相同的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，從而準(zhǔn)確地調(diào)控細(xì)胞-半導(dǎo)體混合系統(tǒng)。界面接口的形成則需要細(xì)胞和半導(dǎo)體材料間極為緊密和高表面積的接觸，以便維持細(xì)胞活力和半導(dǎo)體性能[21]。

　　在細(xì)胞-半導(dǎo)體雜交體中實(shí)現(xiàn)這種界面需要做到三個(gè)方面：(1)選擇并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)纳�物和非生物成分以確保二者的相容性;(2)通過親和結(jié)合或自組裝進(jìn)行化學(xué)耦合;(3)建立人工材料與細(xì)胞之間的能量轉(zhuǎn)導(dǎo)及耦合。細(xì)胞與半導(dǎo)體的連接一般為直接物理接觸。Kim等將哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)在含垂直排列的SiNW陣列的基底上，數(shù)天后，SiNW陣列與正在生長的細(xì)胞緊密結(jié)合，該研究表明無外力作用下半導(dǎo)體材料與細(xì)胞的自然結(jié)合[16]。Sakimoto等則采用生物沉淀的方法使M.thermoacetica表面附著CdS納米顆粒，建立了良好的生物界面[13]。

　　再如，Wei等在大腸桿菌中融合表達(dá)外膜蛋白OmpA和金屬結(jié)合蛋白PbrR，可特異性吸附Pb和Cd離子，從而在菌表面形成PbS和CdS界面層，促使菌體在有氧條件下持續(xù)產(chǎn)氫[10]。Tremblay等則將g-C3N4顆粒與R.eutrophaH16共培養(yǎng)構(gòu)建雜交光合系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化光能后得到部分還原當(dāng)量，然后通過乙酰乙酰輔酶A還原酶PhbB直接供給聚羥基丁酸酯的合成[14-15]。在人工光合雜交系統(tǒng)中，半導(dǎo)體光吸收器具有較高的載流子遷移率，比生物體更高效地吸收光，但卻不能有效地將光激發(fā)電子的能量轉(zhuǎn)移至碳鍵合成中。

　　因此，利用非光合細(xì)菌的優(yōu)異胞內(nèi)固碳能力將半導(dǎo)體吸收的光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，從而最大限度地利用太陽能。此前研究中，自養(yǎng)細(xì)菌已廣泛用于生產(chǎn)簡單有機(jī)分子，而將異養(yǎng)生物與半導(dǎo)體光收集器融合，則在復(fù)雜代謝物的合成方面更具優(yōu)勢(shì)。人工光合雜交系統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制可根據(jù)細(xì)胞膜上是否存在氫化酶而分為兩種：

　　(1)非氫化酶介導(dǎo)的直接電子轉(zhuǎn)移：該過程發(fā)生在光合作用的前3小時(shí)，其特點(diǎn)符合慢電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。當(dāng)細(xì)胞與半導(dǎo)體直接接觸后，通過自身的還原蛋白(例如，細(xì)胞色素(Cyt)、鐵氧還蛋白(Fd)、黃素蛋白(Fp))或?qū)щ姳廾珜�胞外電子傳遞到自身細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)中，并不依賴H2或NAD(P)H作為還原當(dāng)量的來源[22];(2)氫化酶介導(dǎo)的間接電子轉(zhuǎn)移：該過程遵循驅(qū)動(dòng)電子到膜結(jié)合氫化酶的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，在24小時(shí)內(nèi)積累足量的H2、甲酸等代謝物，并通過HydABC絡(luò)合物氧化進(jìn)入Wood-Ljungdahl途徑，為細(xì)胞提供還原當(dāng)量[23-25]。

　　總之，以細(xì)胞色素和氫化酶為代表的膜結(jié)合蛋白在電子-空穴對(duì)分離過程中發(fā)揮重要的電子傳遞作用[26-27]。Jensen等在大腸桿菌中異源表達(dá)希瓦氏菌(Shewanellaoneidensis)的胞外電子傳遞色素蛋白(CymA、MtrA、MtrB、MtrC)，重構(gòu)了胞外電子傳遞路徑(CymA-MtrCAB)，使外膜上的固體金屬氧化物被還原[28]。該研究表明，合成生物學(xué)可改變細(xì)胞特性，使其成為與無機(jī)納米材料相容的界面細(xì)胞。

　　因此，研究重點(diǎn)將著眼于提高材料的電子-空穴對(duì)分離效率以及電子從半導(dǎo)體到細(xì)胞的轉(zhuǎn)移能力[29-30]。深入了解電子在細(xì)胞內(nèi)的分子響應(yīng)機(jī)制有助于改進(jìn)半導(dǎo)體材料對(duì)信號(hào)的集成和傳導(dǎo)性能。當(dāng)電子或還原當(dāng)量通過細(xì)胞膜進(jìn)入胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)分子響應(yīng)機(jī)制可分為人為調(diào)控和胞內(nèi)自主調(diào)控。人為調(diào)控是根據(jù)需求對(duì)胞內(nèi)代謝途徑進(jìn)行改造，使細(xì)胞從半導(dǎo)體材料中獲得的能量集中用于某特定代謝途徑或途徑中某一步驟，對(duì)細(xì)胞獲得的還原力進(jìn)行有目的地分配。

　　該方面Guo等構(gòu)建的基因工程酵母-InP雜化平臺(tái)是一成功案例[11]。NADPH是生物合成中的關(guān)鍵氧化還原輔因子。酵母中的NADPH主要來自磷酸戊糖途徑(PPP)。當(dāng)缺失葡萄糖-6-磷酸脫氫酶基因zwf1時(shí)，PPP的氧化部分被破壞，極大降低胞漿NADPH的再生能力，直接影響莽草酸的合成，最終導(dǎo)致其前體3-脫氫莽草酸(DHS)的積累[31]。研究者在此基礎(chǔ)上利用附著在酵母細(xì)胞表面的光收集半導(dǎo)體顆粒InP提供缺失的還原當(dāng)量，促使DHS高效合成莽草酸[11]。此外，在釀酒酵母表面覆蓋氮化鎵(GaN)納米薄膜，使其能夠吸收紫外線提供的能量，在細(xì)胞表面積累電荷，激活細(xì)胞壁中的幾丁質(zhì)合成途徑[32]。

　　另一種胞內(nèi)自主調(diào)控機(jī)制則是遵循細(xì)胞正常代謝途徑所需，利用半導(dǎo)體材料的電子或還原當(dāng)量生產(chǎn)簡單有機(jī)小分子。如Sakimoto等建立了M.thermoacetica-CdS雜交體系，CdS經(jīng)光照激發(fā)的光生電子產(chǎn)生還原當(dāng)量[H]直接進(jìn)入Wood-Ljungdahl途徑，驅(qū)動(dòng)CO2經(jīng)乙酰-CoA合成乙酸。Wood-Ljungdahl途徑是已知厭氧生物固碳途徑中能耗最低、路徑最短的途徑，符合細(xì)胞自主調(diào)節(jié)的能量分配原則[13]。

　　半導(dǎo)體-細(xì)胞雜交體系介導(dǎo)的生物催化發(fā)展極為迅速，已開發(fā)出若干細(xì)胞和半導(dǎo)體材料的組合。除光合雜交體系外，Daniil等開發(fā)了一種海膽狀磁性納米顆粒。附著在酵母細(xì)胞表面的磁性顆�？山�(jīng)低頻磁場(100Hz)驅(qū)動(dòng)而改變空間排布，在不影響細(xì)胞生存的范圍內(nèi)改變細(xì)胞膜通透性，使釀酒酵母利用葡萄糖生產(chǎn)乙醇的轉(zhuǎn)化率提高了150%[33]。隨著對(duì)雜交系統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制及細(xì)胞能量代謝方式的深入研究，半導(dǎo)體合成生物學(xué)將為清潔能源開發(fā)、大宗化學(xué)品生產(chǎn)及高值藥物合成等提供重要技術(shù)支撐。

　　2依托半導(dǎo)體-智能細(xì)胞的新型生物傳感

　　生物傳感器(Biosensor)是一種可識(shí)別生物分子并將代謝物濃度轉(zhuǎn)化為光、電等信號(hào)的檢測(cè)儀器。它以生物敏感材料為識(shí)別元件，以可響應(yīng)光、電、壓力、場效應(yīng)等信號(hào)的材料為理化換能器，實(shí)現(xiàn)生物信號(hào)的轉(zhuǎn)換與輸出。自1967年第一個(gè)生物傳感器——葡萄糖傳感器[34]問世以來，科學(xué)家們以酶、抗體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織等為特異性響應(yīng)元件，開發(fā)出多種生物傳感器。傳統(tǒng)生物傳感器靈敏度高、特異性好，但功能有限�；罴�(xì)胞-半導(dǎo)體材料雜交體系可通過胞內(nèi)生化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且可對(duì)外界信號(hào)做出反應(yīng)，從而執(zhí)行普通生物活性材料無法完成的功能。這種新型智能生物傳感器在個(gè)性化診斷、疾病治療、微觀生物致動(dòng)機(jī)器人開發(fā)等方面發(fā)揮重要作用。

　　3基于DNA的大規(guī)模信息存儲(chǔ)

　　目前，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)大多是性能良好的半導(dǎo)體材料。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度與材料的物理尺寸以及電路集成能力密切相關(guān)。然而，半導(dǎo)體材料構(gòu)成的電路已接近其性能極限;此外，亞納米水平的集成也因元件間距過小而面臨量子干擾、庫倫阻塞等物理效應(yīng)的限制。因此，開發(fā)新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法才能解決當(dāng)今信息太多而存儲(chǔ)能力弱的矛盾。分子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一種密集且持久的信息存儲(chǔ)方式，但半導(dǎo)體材料需在極低溫度下(約-210℃)才能保持單分子級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能，昂貴的冷卻系統(tǒng)限制了該方法大規(guī)模應(yīng)用。DNA作為生物遺傳信息的載體，其獨(dú)特的生物學(xué)特性使其在存儲(chǔ)時(shí)間、存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)讀取等方面具有優(yōu)勢(shì)。

　　4總結(jié)與展望

　　半導(dǎo)體合成生物學(xué)利用材料科學(xué)的工具和方法去發(fā)展和調(diào)控生物系統(tǒng)，同時(shí)基于合成生物學(xué)思路開發(fā)新材料。生物學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉可促進(jìn)生物學(xué)與半導(dǎo)體技術(shù)的日益融合，衍生出具有重要價(jià)值的研究課題。

　　(1)半導(dǎo)體材料能高效吸收轉(zhuǎn)化光能、磁能、化學(xué)能，活細(xì)胞則將能量用于自身代謝并合成高附加值產(chǎn)品。用于生物催化的半導(dǎo)體-細(xì)胞雜合體系是目前研究熱點(diǎn)[73]。本課題組致力于工業(yè)微生物的遺傳改造和調(diào)控，其中包括將還原性三羧酸循環(huán)及C4模塊導(dǎo)入大腸桿菌，使其固定CO2而生產(chǎn)化學(xué)品。對(duì)于大腸桿菌等非光合細(xì)菌，該途徑提供的還原力及能量不足，而細(xì)胞與半導(dǎo)體材料耦合可彌補(bǔ)該缺陷，從而提高CO2利用率。材料與細(xì)胞表面的接觸對(duì)細(xì)胞間原有信號(hào)傳遞、生物被膜等造成干擾。如何減輕或平衡能量傳輸對(duì)細(xì)胞的負(fù)荷和不良刺激，加速能量傳遞，是發(fā)展半導(dǎo)體生物催化的關(guān)鍵。此外，經(jīng)半導(dǎo)體材料傳輸?shù)哪芰吭谶M(jìn)入細(xì)胞后會(huì)遵循胞內(nèi)能量代謝方式，缺乏可控性。未來，利用合成生物學(xué)手段開發(fā)胞內(nèi)多模塊間正交能量分配或許是新突破。

　　(2)半導(dǎo)體器件可放大信號(hào)、具有一定容錯(cuò)性且響應(yīng)速度快，適于調(diào)控復(fù)雜生物系統(tǒng)[45-46];而活細(xì)胞具有精密的基因表達(dá)及代謝能力，能夠執(zhí)行無機(jī)材料無法完成的工作。二者結(jié)合將同時(shí)打破材料及生物系統(tǒng)等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。例如，通過課題組之間的協(xié)作，我們以極端微生物為底盤細(xì)胞，將其與多重納米材料相結(jié)合，以便監(jiān)測(cè)與修復(fù)環(huán)境。其中的工程細(xì)胞可感知環(huán)境中污染物的濃度，而半導(dǎo)體材料傳感器則負(fù)責(zé)信息的反饋;之后，信息集成模塊根據(jù)污染物的種類，通過不同信號(hào)輸入激活工程菌中相應(yīng)的污染物降解途徑，從而實(shí)現(xiàn)“自感知-自反饋-多樣化處理”的目標(biāo)。目前，生物傳感器的應(yīng)用已經(jīng)從基礎(chǔ)的物質(zhì)檢測(cè)擴(kuò)展到了復(fù)雜的生物醫(yī)療。然而，相對(duì)于半導(dǎo)體響應(yīng)元件，人們對(duì)活細(xì)胞功能的開發(fā)程度還較低。今后，將外部傳感信號(hào)與胞內(nèi)如群體感應(yīng)(Quorumsensing)等自主交流方式相耦合，同時(shí)結(jié)合人工智能手段賦予細(xì)胞“感應(yīng)-分析-指令-行動(dòng)”等能力，有望使生物傳感技術(shù)邁向新臺(tái)階。

　　(3)DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是未來信息存儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)在于存儲(chǔ)密度大、易保存且受外界條件影響小。然而，DNA合成成本高以及讀取速度慢等缺點(diǎn)仍是挑戰(zhàn)。盡管如此，現(xiàn)有物種DNA圖譜復(fù)雜多樣，包含信息量巨大，若將DNA存儲(chǔ)的編碼算法與之耦合即可將生物基因組作為天然存儲(chǔ)單元，節(jié)約合成成本。此外，新一代測(cè)序技術(shù)助力DNA的精確和快速讀取。 未來半導(dǎo)體合成生物學(xué)仍將遵循“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)”(design-build-test-learn)的閉環(huán)思路，在細(xì)胞、組織和系統(tǒng)各個(gè)水平不斷發(fā)展和優(yōu)化生物-非生物雜合體系并拓展其應(yīng)用。

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　　作者：王欣1，趙鵬1，李清揚(yáng)2，田平芳1