人造“叶绿体”实现人工光合作用登上《科学》！可捕获和转化CO2 未来生物技术应用广泛

风能、太阳能是重要的清洁能源，但它们重要的缺点是能量密度不够，缺乏稳定性且需要大量设备作为辅助。但近年来被看好的人工光合作用(Artificial Photosynthesis)，则可以模仿植物光合作用，实现对太阳能的转化、存储和利用。

一项新的研究报道称，来自德国和法国的研究人员将微流控技术与菠菜植物的天然光合膜结合起来，开发出了“合成叶绿体”，它能够模仿复杂的和栩栩如生的光合过程。

这些人造叶绿体利用光，通过以往未被发现的自然途径来驱动二氧化碳的固定。该方法可用于从环境中捕获二氧化碳并将其转化为有用的分子——例如燃料和药物，更重要的是，它使碳循环的整合向前迈进了重要的一步。“（它）展示了合成生物学的重大进步，以及构建自持合成细胞的关键里程碑。”

该研究成果于5月8日发表在国际顶刊《科学》（Science）上，题为“Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts”。

光合碳固定是一个基本的生物过程，利用光能将无机碳转化为维持地球上绝大多数生命所需的有机化合物。因此，利用光合作用的过程，利用几乎无限的光供应为人造活细胞提供合成代谢能量的能力，是努力开发完全合成的生物的高度追求的目标。

在自然界中，光合作用发生在称为叶绿体的特殊细胞器中，类囊体膜中的酶复合物将光能转化为三磷酸腺苷（ATP）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）还原，随后用于从无机二氧化碳中构建有机分子。

利用阳光模仿单个光合作用过程的工程材料和酶（例如水分解和二氧化碳固定）并不是什么新鲜事物。然而，重现植物细胞叶绿体的复杂性和效率，既可以收集光能，又可以利用其进行多步合成，这是一个更大的挑战。许多科学家表示，工程化地合成碳固定机制，以模拟人造系统中复杂的自然光合作用，这样的操作仍然难以捉摸。

在这项研究中，Tarryn Miller及其同事整合了天然和合成的生物部分，以构建具有光合作用基本特征的模仿叶绿体的微流体液滴。

他们的方法使用菠菜中的微流体和天然类囊体膜，来触发光驱动的复杂的生物合成任务，这些任务包括细胞固定大小的合成碳滴。

研究团队表示，可以对“合成叶绿体”微滴进行编程，以实现改进的或新的光合过程，其应用范围从小分子或药物合成到用于隔离环境碳的人造生物系统。

这些与叶绿体相仿的液滴在较小的空间内把天然组分和合成组分结合起来，通过进一步功能化，能够为复杂的生物合成反应提供场所。“这种封装技术使我们能够生产成百上千个细胞大小的隔室，它们可以彼此独立地运行，” 德国马克斯-普朗克陆地微生物研究所的Tobias J. Erb解释道。 “这为标准化的具有催化活性的微反应隔室（或“人造细胞”）的批量生产开辟了道路，将来可用于不同的生物技术应用。”

而且研究人员指出：“我们的工作首次表明，您可以从单个零件和模块中实现微观规模的替代性自主光合系统，从而使我们能够构建自然界尚未探索的”替代性”生物解决方案。” “据我们所知，这是将二氧化碳连续，多步转化为碳化合物的第一个证明。”

但是，以成本有效的方式扩大规模，例如用于合成高价值药物，可能需要将整个体外系统移植到产生光合作用的主要细胞中，这是这项研究接下来面临的一大重大挑战。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/aaft-sce050420.php

https://www.chemistryworld.com/news/artificial-chloroplasts-turn-co2-into-multicarbon-molecules-powered-only-by-light/4011694.article

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649