科学家制备人工生物叶片，具备自支撑与能量自给特性

这是西湖大学柳佃义教授和团队造出的一款“人工生物叶片”。其不仅可以漂浮在水面上，甚至还具备独立支撑的能力，是一款具有生命同时又可以借助光能将二氧化碳转化为食物的神奇人造叶片。通过此，课题组展示了一种新型可扩展的生物人工光合作用系统。

（来源：Science Advances）

基于本次成果构建的人工叶片系统具备操作简单 、材料稳定、便于回收、易于规模放大等优势。

更重要的是，基于这一系统的回收材料的性能，与新制备材料的性能并无差异，这对于降低生产成本非常有利。

未来在后端生物合成上，假如能用工程化细菌来规模化生产稀缺药物分子，那么在前端生产乙酸或甲醇的人工叶片系统将具备一定的产业化价值。

图 | 柳佃义（来源：柳佃义）

造一片有生命的“人工叶片”

植物可以通过光合作用，在光照条件下将水和二氧化碳转化为糖、药物等复杂有机物。

10 年前，美国华裔科学家杨培东团队从天然光合作用获得启发，开发出第一个基于半导体和非光合细菌的人工光合作用体系，用于在自然温和条件下将二氧化碳转化为高附加值化学品。

此类体系既可以降低地球的二氧化碳浓度，又可以产生高附加值的产品，是一个既具有科学研究价值，又具有实际经济价值的生物合成平台。

后来，柳佃义等人曾使用人工制备的量子点材料来代替植物叶片中的叶绿素，并使用非光合细菌来代替叶绿体。

量子点会吸收太阳光的能量，并将能量传递给细菌，从而驱动细菌将二氧化碳转化为乙酸盐。

类似的人工光合作用体系后来被陆续开发出来，体系的光利用效率也得到了逐步提升。

通常，这类人工光合作用体系均采用纳米颗粒或有机小分子形态的半导体材料。

这些材料通过粘附在细菌表面或进入细菌细胞内部，将吸收到的光能传递给细菌，从而提高细菌将二氧化碳转化为乙酸盐的效率。

然而，这种基于纳米颗粒或基于有机小分子的半导体材料存在难以回收的缺点，当细菌活性下降或死亡后，材料也会随之损失，从而导致体系的可持续应用受到较大限制。

在本次项目伊始，他们原本希望开发兼具可回收能力和更高光利用效率的人工光合作用体系。

随着课题的进行，他们又产生了更多有意思的想法。例如，如何让半导体材料能像浮萍一样漂浮在水上？如何造出可以漂浮在水面的“人工生物叶片”？如何造出像树叶一样不依赖水面、可以独立支撑的“人工生物叶片”？以及能否造出和天然树叶具有相同形态、相同功能的“人工生物叶片”？

事实上，人们早在十几年前甚至更早之前就已经提出“人工叶片”的概念。

然而，此前文献报道的“人工叶片”仅限于在功能上实现与天然叶片类似的功能，比如将水分解为氢气和氧气、将二氧化碳转化为甲醇或乙酸等有机物、将氮气转化为氨气等。

而且绝大部分“人工叶片”仅限于材料或器件的形态和天然叶片具有相似性，其本身并不包含任何生命成分。

极少数“人工叶片”基于材料和细菌、酶等杂化体系，包含了生命体或生物活性成分，比如杨培东团队报道的人工光合作用体系，确实可以被称为“人工生物叶片”。

尽管以上“人工生物叶片”可以模拟天然树叶的功能，但从形态上仍然是一瓶溶液，距离人们印象中的“叶片”相差甚远。

而柳佃义团队希望创造一片真正的“人工叶片”，这种叶片既具有生命、能够自我繁殖，又具有和天然叶片同样形态和功能。

同时，可以通过引入不同种类的半导体材料和细菌，让叶片生产不同类型的产品，如氢气、氨气、乙酸盐、生物降解塑料等，从而实现对于叶片功能的人为控制。

坚持做“有灵魂”的研究

那么，应该选择什么材料来制备“人工生物叶片”？

有机共轭聚合物半导体具有易加工性、良好的生物相容性、较强的光吸收能力、较高的激子分离效率，已被广泛用于开发薄膜太阳能电池。

基于此，课题组使用有机半导体薄膜作为吸光材料，将其与非光合细菌共同孵育，获得了一种菌膜，该菌膜生长在有机半导体薄膜上，并且具有正常的繁殖能力，故可被用于构建人工光合叶片体系。然后，通过使用轻质、柔性的衬底，他们造出了“人工叶片”。

人工光合作用系统并不是该实验室的唯一研究方向，有机太阳能电池也是他们的探索方向之一。

这两个方向看似毫不相关，实际上它们的基础科学知识是一样的，同样都是利用光电半导体材料吸收光能，然后将光能进一步转化为不同形式的能量。

太阳能电池是将光能转化为电能，人工光合作用是将光能转化为化学能，同时产生新物质。

那些用于有机太阳能电池的半导体材料，比如 P3HT、PCBM、PM6、Y6 等，其光电转换效率已远远超越天然光合作用和已报道的所有人工光合作用体系。

遗憾的是，此前从未有人尝试将这样高效的有机半导体材料用于人工光合作用体系之中，也从未有人将人工光合作用体系的半导体材料做成易于回收的薄膜形态。

而该实验室的博士生温娜同学，在进组初期曾接受过太阳能电池方面的科研训练，对于有机半导体材料的性质有着深刻理解，也非常熟悉薄膜的制备工艺。

于是，她针对有机半导体薄膜-细菌人工光合作用体系开展了尝试。研究结果显示，有机半导体薄膜具有良好的生物相容性，细菌可以很好地生长在薄膜表面，并能形成一层致密的菌膜。

这一发现不仅让他们确认了本次课题的可行性，也为后续构建自支撑的准固态人工生物叶片奠定了良好基础。

而从名字上就能看出来，有机半导体薄膜-细菌杂化人工光合作用体系包含两个部分：一部分是有机半导体薄膜，另一部分是非光合细菌。

要构建由这两部分构成的杂化体系，需要分别优化这两部分的条件。将这两部分合并到一起后，再作为一个整体进行条件优化。

完成杂化体系的构建之后，温娜觉得虽然本次工作具有较好的工作意义，但似乎还缺少“灵魂”，没有想象中前沿交叉学科研究应有的闪光点。

后来，柳佃义也会在学术会议上积极地对外宣传这一成果。当时，他也和同行们一样称这一系统为“人工叶片”或“人工树叶”。

但在内心深处他个人很难接受这一抽象的“叶片”概念，毕竟看上去所谓的“叶片”只是一瓶浑浊的溶液，距离日常看到的树叶形象相差甚远。

而在之前，他们曾拍摄到在有机半导体薄膜上生长的细菌菌膜电镜照片，其认为基于半导体薄膜的人工光合作用体系，在琼脂类的固态或准固态培养基内应该也能工作。

那么，以此为基础能否构建出在形态上真正像叶子一样，可以自支撑的固态或准固态“人工叶片”体系？

如能制造一片“人工树叶”，那造一片可以漂浮在水面上类似浮萍的水生“人工叶片”应该也是能实现的。

相比构建体系时的繁杂工作，制备模拟水生植物的漂浮“叶片”和模拟陆生植物的“人工树叶”时，温娜并没有花费太多精力和时间，进展也都比较顺利。

但如同他们预期的那样，这个工作逐渐有了“灵魂”，成了一个像模像样的交叉学科研究成果，甚至可以拿来给同学们做科普。

在随后的其他学术报告里，柳佃义终于可以很自然地给大家汇报：他们做了一片有生命的、从形态上和功能上和天然的叶子很相像的真正的“人工生物叶片”。

（来源：Science Advances）

与同期入学的同学相比，别人在成熟的领域早早发表了论文，获得了各种奖学金，而温娜同学一直独自进行一项前景和意义均不明朗的研究，难以获得来自外部的肯定。

但她和姜倩晴博士以及导师柳佃义最终收获了别人的认可。审稿人一致认为这一工作将引起读者的广泛兴趣。

日前，相关论文以 Polymer Semiconductor Films and Bacteria Hybrid Artificial Bio-Leaves 为题发在Science Advances。温娜和该团队的助理研究员姜倩晴博士分别是第一作者和第二作者，柳佃义担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

与此同时，他们也一直在努力推动将实验室技术用于工业化生产中。

如前所说，该团队还有一个重要的研究方向是有机太阳能电池。2022 年，该课题组在西湖大学的支持下成立了一家公司——西湖光电科技（杭州）有限公司。

他表示：“西湖光电是中国第一家有机光伏器件制造公司，致力于有机光伏和透明光伏技术的产业化推广。”

（来源：课题组）

透明光伏可以将太阳能转化为电能，同时不影响自然的可见光环境，是建筑光伏一体化领域一种不可替代的关键技术，在透明光伏幕墙和汽车全景光伏天窗等方面具有巨大市场应用潜力。

目前，西湖光电拥有领先的透明光伏技术，光伏组件可均匀透光且透光率（最高可达 90%）和效率均为世界最高。

公司现有管理团队和技术骨干 12 人，拥有约 500 平米面积的洁净厂房，眼下已经完成大面积硬质和柔性透明光伏组件的中试工艺研发。

其中，面积为 400cm²的大面积透明有机光伏组件，最高光电转换效率可以达到 6% 以上，最高平均可见光透光率可以达到 50% 以上。

可以说，左手科研，右手产业——这正是柳佃义科研人生的写照。未来，他也希望能与从事材料、电化学、生物合成等方面研究的同行多多交流，共同创造新的成果。

参考资料：

1.Wen, N., Jiang, Q., & Liu, D. (2024). Polymer semiconductor films and bacteria hybrid artificial bio-leaves.Science Advances, 10(44), eadp8567.

2. 实验室主页：https://nature.westlake.edu.cn

排版：初嘉实