A hybrid photocatalytic system enables direct glucose utilization for methanogenesis

产甲烷 生物化学 古细菌 柠檬酸循环 化学 生物 新陈代谢 细菌 遗传学 基因
作者
Jing-Ya Ma,Zhen Yan,Xiao-Dong Sun,Yuqian Jiang,Jian-Lu Duan,Li-Juan Feng,Fanping Zhu,Xiaoyu Liu,Peng‐Fei Xia,Xian-Zheng Yuan
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (4)
标识
DOI:10.1073/pnas.2317058121
摘要

Integration of methanogenic archaea with photocatalysts presents a sustainable solution for solar-driven methanogenesis. However, maximizing CH 4 conversion efficiency remains challenging due to the intrinsic energy conservation and strictly restricted substrates of methanogenic archaea. Here, we report a solar-driven biotic–abiotic hybrid (biohybrid) system by incorporating cadmium sulfide (CdS) nanoparticles with a rationally designed methanogenic archaeon Methanosarcina acetivorans C2A, in which the glucose synergist protein and glucose kinase, an energy-efficient route for glucose transport and phosphorylation from Zymomonas mobilis , were implemented to facilitate nonnative substrate glucose for methanogenesis. We demonstrate that the photo-excited electrons facilitate membrane-bound electron transport chain, thereby augmenting the Na + and H + ion gradients across membrane to enhance adenosine triphosphate (ATP) synthesis. Additionally, this biohybrid system promotes the metabolism of pyruvate to acetyl coenzyme A (AcCoA) and inhibits the flow of AcCoA to the tricarboxylic acid (TCA) cycle, resulting in a 1.26-fold augmentation in CH 4 production from glucose-derived carbon. Our results provide a unique strategy for enhancing methanogenesis through rational biohybrid design and reprogramming, which gives a promising avenue for sustainably manufacturing value-added chemicals.
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