综述：光合电子传递链重构的生成-传递-分流策略

《Green Carbon》：Generating–Transferring–Diverting strategy for photosynthetic electron transfer chain remodeling

　　

光合电子传递链是光合生物光能量转化的核心，其效率直接决定能量利用效率与生物制造潜力。尽管该系统的自然演化使其适应了波动自然环境下的生态适合度，但在工业生物制造中仍面临电子利用效率不足、电子流可控性有限及系统稳定性欠佳等瓶颈。针对上述挑战，需要基于合成生物学手段，从光捕获到电子利用的多功能阶段开展系统性工程改造。本综述总结了通过“生成-传递-分流”（Generating–Transferring–Diverting）策略重构光合电子传递链的研究进展，该策略整合了增强光驱动电子生成（生成）、调控电子传递过程（传递）及拓展下游电子用于多样化生物制造（分流）的方法体系。这些工作得到了基因编辑、结构生物学、计算建模、材料科学与电化学等多学科合成生物学工具的支持。最后，本文讨论了当前在效率优化、调控复杂性及规模化实施方面的挑战，并展望了面向智能化、模块化与集成化光合系统的未来发展方向，为光驱动制造、可再生合成及碳负转化开辟了新路径。

1. 1.
   引言
   光合电子传递链是光合生物光能量转化的核心装置，其结构与功能直接决定太阳能利用效率与能量转化多样性。在全球能源需求增长与碳中和目标背景下，开发可直接耦合太阳能捕获与生化合成的光驱动生物制造系统已成为可持续生产的战略重点。然而，尽管经过数十亿年的进化优化，天然光合电子传递链主要服务于生态适合度而非工业场景下的高生产力、可控性与工程鲁棒性，因此难以满足生物制造需求。该链条由一系列蛋白质复合物与可移动电子载体组成，包括光系统II（PSII）、细胞色素b₆f复合物、光系统I（PSI）、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧还蛋白（Fd）及铁氧还蛋白-NADP⁺还原酶（FNR）。这些组分在光合膜上空间组装形成高效超分子复合体，实现快速定向的电子传递。光子激发后，PSII与PSI反应中心的电荷分离驱动线性电子流：PSII催化水氧化释放氧气与电子，电子经质体醌、细胞色素b₆f复合物与质体蓝素传递至PSI，最终被Fd接受并用于还原NADP⁺生成NADPH。同时，跨膜质子转运建立的质子驱动力驱动ATP合成，为碳固定及其他合成代谢提供化学能。不同生物的光合电子传递链在组成、结构与电子传递模式上存在显著差异：产氧光合生物（如蓝细菌与高等植物）采用双光系统，以水为电子供体，依赖线性电子流同时生成ATP与NADPH；而不产氧光合细菌（如紫细菌、绿硫细菌）通常仅含单个光系统，依赖循环电子流高效合成ATP而不净产还原力，部分情况下可利用硫化物或有机物作为电子供体进行线性电子流以产生还原剂。天然光合电子传递链的太阳能到生物质转化效率普遍仅为1%~3%，限制因素包括光吸收与激发能传递过程中的能量损失、电子泄漏、两个光系统间激发能不平衡、循环与线性电子流调控不足、类囊体膜蛋白的空间限制，以及Fd与下游酶模块的氧化还原匹配与偶联效率欠佳。这些内在限制在大规模培养的不均匀光照、参数波动及系统稳定性不足等条件下会被进一步放大，因此对光合电子传递链进行系统性重设计是实现高效、可扩展、可持续光驱动生物制造的关键前提。合成生物学为理性重编程复杂生物系统提供了框架，使得从光驱动电子生成、受控传递到有效利用的多层次优化成为可能。本综述基于“生成-传递-分流”框架，系统总结了光合电子传递链重构的最新进展，并探讨了多学科工具的支撑作用及未来发展方向。
2. 2.
   生成策略：通过优化光捕获系统增强光合电子生成
   光合电子传递链始于光能的高效捕获，该过程由高度协同的光捕获系统调控，整合光子吸收、激发能传递与反应中心电荷分离，最终产生光合电子。光捕获系统的效率直接决定可用于下游传递与代谢过程的电子通量。当前优化聚焦于两个方向：拓宽光谱吸收范围与增强光合天线系统的光捕获能力。
   2.1 光谱吸收范围的拓展
   拓展光合生物的光谱吸收范围可增加光捕获系统的光子供应并提升其在复杂光照下的稳定性。其核心在于引入叶绿素d/f至常规光合生物以实现吸收红移，例如将叶绿素d/f整合至植物PSI天线蛋白Lhca4可显著增强远红光吸收能力，将吸收范围延伸至750 nm以上；在田间大豆中引入叶绿素d/f可通过利用冠层下部丰富的远红光显著提升光合效率，冠层水平CO₂同化量最高提升26%且不增加光损伤风险。另一策略是将常规叶绿素引入天然利用远红光生物，如在不能天然合成叶绿素a的沼泽红假单胞菌（Rhodobacter sphaeroides）中构建叶绿素a生物合成途径，并成功与异源表达的水溶性叶绿素结合蛋白组装。此外，类胡萝卜素工程可拓展蓝绿光区（约450~550 nm）吸收并作为光保护剂通过能量耗散与活性氧淬灭缓解光损伤，是光捕获系统优化的重要补充方向。
   2.2 光合天线光捕获能力的优化
   光合天线是由色素与蛋白质组成的有序复合体，通过共振能量传递将捕获的光能传递至反应中心。然而，天线系统捕获的光能与反应中心的电子处理能力常存在失衡：反应中心电荷分离与电子生成速率有限，过量光子无法被利用而以荧光、热能形式耗散或导致活性氧生成，损伤光合膜；低光或波动光下过小的天线则会限制光捕获。因此精准调控天线大小是提升光捕获效率并避免光抑制的关键。截断蓝细菌的天线可降低表面光吸收与光抑制，促进光深层穿透，提升高密度培养的整体光合效率，例如通过CRISPR-Cas编辑快速生长聚球藻（Synechococcus elongatus）UTEX 2973的藻胆体天线，使突变株光截面减小，在高光下缓解光抑制并促进光深层穿透，最终生长速率提升36%、蔗糖产率提升22%。动态调控天线大小可更好适应动态光环境，如莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中构建翻译控制的动态天线尺寸调控系统，光合活性与生物质生产率较野生型翻倍。此外，天线工程还可支持下游高能耗代谢过程，如防止鱼腥藻（Anabaena）异形胞中藻胆体降解可增强循环电子流与ATP合成，使高光下固氮酶活性提升2~3倍。
3. 3.
   传递策略：重构光合电子传递通路
   光合电子传递通路的效率直接影响光合电子传递链的总电子通量及ATP与NADPH的合成能力。当前重构策略主要包括天然光合电子传递通路工程、反应中心蛋白修饰与从头设计、半人工光合电子传递通路构建，以及向非光合生物引入光合电子传递通路。
   3.1 光合电子传递通路工程
   天然光合电子传递通路主要服务于生物生存而非生物制造所需的灵活电子分配，电子常被分流至竞争性旁路途径，导致目标途径电子供应不足。通路工程旨在理性设计与重构电子传递通路以高效导向目标反应，例如敲除集胞藻（Synechocystis sp.）PCC 6803中编码黄素二铁蛋白的flv3基因，阻断伪循环电子流，将电子从氧还原重定向至碳代谢，显著提升低光下蔗糖产量与高光下聚羟基丁酸积累；删除莱茵衣藻中竞争氢酶电子的黄素二铁蛋白分支，使突变株光驱动产氢量翻倍且稳定性提升；敲除集胞藻PCC 7002中参与伪循环电子流的flv1/flv3基因或参与循环电子流的pgr5基因，均可提升D-乳酸产量，其中pgr5缺陷株产量较野生型提升近7倍且副作用更小。此外，通过蛋白质融合技术将特定功能蛋白锚定至光系统组分以缩短电子传递距离是重要策略，例如将Fd共价连接至PSI的PsaE亚基，通过优化长度的柔性肽 linker在空间上限制Fd靠近PSI还原端，使光依赖NADPH合成速率显著提升，相当于可溶性Fd有效浓度提升10倍。
   3.2 光反应中心蛋白的修饰与从头设计
   反应中心蛋白是光合电子传递链的核心，决定光能转化为电子传递级联的效率。其优化方向包括天然反应中心蛋白的理性工程与全新蛋白的从头设计。理性工程基于天然蛋白结构，通过定点突变、结构域重组等方法在保留整体框架的同时优化内部电子传递通路或拓展与非天然电子受体的兼容性，例如重塑莱茵衣藻PSII的Q_A结合位点构象，构建从Q_A到外源醌类介质的旁路电子传递通路，显著提升电子传递速率并维持稳定光电流输出；鉴定PSII中D1蛋白K238位点为天然电子传递通路的关键绝缘保护元件，突变该位点（K238E）构建了从Q_A到细胞色素c的新型电子传递通路，可在以水为电子供体时实现外源细胞色素c的光驱动还原，同时保持光自养生长并提升PSII在高光下的稳定性。从头设计则完全摆脱天然蛋白模板限制，基于第一性原理、量子化学计算与蛋白质折叠规则构建具有定制光电转换功能的蛋白，例如基于四螺旋束架构构建简化的人工反应中心蛋白，通过精确控制酪氨酸、锌卟啉色素与铁卟啉受体间的空间距离与能级匹配，实现寿命超过100 ms的PSII样光驱动电荷分离，并复现酪氨酸氧化与双金属簇组装等关键天然功能。
   3.3 半人工光合电子传递通路的构建
   半人工光合电子传递链可促进生物-非生物界面的高效电子传递，结合生物组分的高选择性与合成材料的优异理化性质，通过界面工程拼接或延伸天然通路，克服天然系统在电子传递效率与功能适用性上的局限。体外组装方面，可将分离的PSII与三维分级多孔电极耦合，重建由水氧化引发的半人工光合电子传递界面并实现高效光电流输出；体内整合方面，可将水溶性富勒烯衍生物锚定至集胞藻PCC 6803的类囊体膜，直接截取PSI受体侧电子并高效传递至胞外电极，使光电流密度提升约一个数量级；也可利用低中点电势吩嗪（PYO）作为电子介体实现蓝细菌光合电子传递链与电极的高效耦合，在较传统介体低200 mV的电位下产生更高光电流且无细胞获得性抗性。此外，半人工系统可增强光催化反应的驱动力，如将自旋菠菜类囊体与碲化镉（CdTe）量子点静电组装构建杂化系统，结合不同还原酶可实现CO₂定向转化为甲酸或甲烷；构建由硫堇紫（S-MV²⁺）与工程化甲基营养菌组成的自激活太阳能驱动产氢系统，利用甲烷作为牺牲剂消耗光生空穴，使产氢量较野生型系统提升140倍以上。
   3.4 向非光合生物引入光合电子传递通路
   该策略旨在通过完全生物学的光驱动电子生成与细胞代谢耦合，使遗传易操作的异养模式生物直接利用光能。模块化重构通常包括三步：引入光合色素与反应中心蛋白组装光合电子生成模块；偶联电子传递至质子梯度生成以合成ATP并输出还原当量；适应性进化或进一步工程改造以支持光驱动细胞生长。例如在大肠杆菌（Escherichia coli）中共表达光敏色素合成蛋白与视紫红质，构建光驱动质子泵系统实现完全异源光磷酸化；组装12个关键酶编码基因在大肠杆菌中建立完整的叶绿素a生物合成途径，明确了叶绿素合成的最小基因需求；近期构建的由锚定蛋白NuoK、来自光合细菌的反应中心核心蛋白PufL与光敏色素分子MgP组成的生物启发光合模块（NPM），靶向大肠杆菌内膜可显著提升光生电子驱动的胞内ATP与NADPH水平，结合人工CO₂固定途径实现了以一碳底物为唯一碳源的光驱动生长与碳负合成。目前该领域仍面临反应中心蛋白合成与组装困难及后续电子传递通路复杂等挑战，多数系统局限于视紫红质等简化模块，未来有望实现从光捕获到碳同化的无缝耦合。
4. 4.
   分流策略：光合电子的输出与重定向
   光合电子传递链捕获的光能常超过下游代谢途径的利用能力，导致电子大量积累引发光合电子传递链过度还原，造成光抑制与活性氧积累，损伤光合装置并限制产物合成。这些过剩电子可通过还原当量或Fd导向替代还原反应，当前工程策略主要聚焦于三个方向：光合电子与碳代谢流耦合、光合电子介导的催化反应，以及光合生物与异养生物间的电子传递。
   4.1 光合电子与碳代谢流的耦合
   在光自养生物中，光合电子传递链生成的电子大部分用于CO₂固定与细胞碳骨架合成，因此与碳代谢流紧密关联。通过代谢工程将胞内碳流重定向至多种平台化学品合成是光合电子的重要应用方向，同时若电子未被下游碳代谢或其他还原反应快速消耗，会导致链过度还原并限制系统生产力，因此实现光合电子与胞内碳流的高效靶向耦合至关重要。该耦合既可实现高值碳基代谢物的生产，又能通过维持能量捕获与代谢需求的动态平衡保障光合电子传递链的持续运行。例如构建聚球藻PCC 7942中CO₂到1-丁醇的光驱动合成途径，引入NADH依赖的反式烯酰辅酶A还原酶规避天然Fd基电子传递系统限制，提升1-丁醇产量；将鲨烯合酶（SQS）融合至藻蓝蛋白β亚基（CpcB1）并锚定至光合膜附近，缩短其膜结合底物法尼基焦磷酸的扩散距离，使鲨烯滴度达7.08 ± 0.5 mg·L^-1·OD₇₃₀^-1；引入强芳香族化合物合成途径可反馈激活光合电子传递链，使PSII与细胞色素b₆f复合物等关键组分上调，碳固定速率提升50%以上；通过表达海藻糖合成酶并引入高效海藻糖转运蛋白，可缓解胞内产物积累对合成酶的反馈抑制，维持光合电子的持续消耗；精准工程改造甘油醛-3-磷酸脱氢酶可重新平衡碳分配，使蔗糖产量提升约20%；引入苯丙氨酸合成流作为高还原力需求的代谢汇，可有效拉动线性电子传递链效率，提升CO₂固定能力；敲除葡萄糖激酶基因并结合自发基因组突变促进葡萄糖分泌，可使超过70%的固定碳流向葡萄糖，滴度达5 g·L^-1。
   4.2 光合电子介导的催化反应
   从光合电子传递链导出的电子可直接驱动各类还原反应，拓展光能利用边界。能源领域的甲烷与氢气微生物生产、生物固氮，以及萜类、黄酮类、生物碱等高值天然产物的催化合成均依赖还原当量供应。例如异源表达[FeFe]-氢酶HydA并引入外源Fd调控氧化还原流，使聚球藻PCC 7942光驱动产氢量提升500倍以上；筛选适配的电子载体并融合至细胞色素P450还原酶，可使烟草叶片中特异性酶活性提升近25倍；敲除竞争电子流的内源途径可显著提升异源烯烃还原酶YqjM的催化效率；利用蓝细菌水裂解同时产还原力与氧气的特性，构建高效光驱动Baeyer-Villiger单加氧酶系统，实现环己酮到ε-己内酯的高效转化；多维工程优化紫色非硫光合细菌的光捕获、电子传递与ATP合成系统，使固氮酶活性提升404%。
   4.3 光合生物与异养生物间的电子传递
   建立光合与异养生物间的电子传递系统可克服单一培养光合系统的内在限制并实现协同新功能。异养生物具有完善的遗传工具与多样的异源还原酶库，光合生物则擅长高效捕获光能与生成还原力，二者结合可形成分工协作的共培养系统，提升整体光能转化效率。跨物种电子传递主要通过三种机制实现：一是有机碳代谢物（如蔗糖、甘油）介导的间接电子传递，如构建蓝细菌与需钠弧菌（Vibrio natriegens）的光合 consortium，通过蔗糖介导的电子传递实现CO₂向高值化学品的碳负合成；二是依赖可扩散电子载体的直接种间电子传递，如绿硫细菌与地杆菌（Geobacter）通过外膜孔蛋白-细胞色素复合物介导的物理细胞接触实现厌氧光合作用与厌氧呼吸的耦合；三是内共生系统中的电子交换，如构建光合蓝细菌与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的遗传调控人工