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原文作者：Colin Barras
生物膜與人工化學的結合有望成為未來合成生物的能量來源。
菠菜的葉綠體膜被應用在微流控晶片上（葉綠體是植物細胞內捕獲光能的細胞器）。來源：Getty
吃二氧化碳的方式再添新招。葉綠體（chloroplast）是植物細胞內進行光合作用的結構，現在研究人員創造出了一種人造葉綠體，可以利用陽光和實驗室設計的化學通路將CO2變成糖。
人造光合作用可以用來驅動非生物微型太陽能工廠，生產大量藥物。此外，由於這種新的化學通路比自然演化的任何途徑都更高效，研究團隊希望類似的過程將來能用來清除大氣中的CO2。不過，尚不清楚這種操作是否可以實現經濟上可行的規模化。這項研究發表在5月7日的《科學》上[1]。
大自然演化出了六種「固定」（fixing）CO2的途徑。所謂固定，就是利用能捕獲太陽能或化學能的酶，把CO2變成糖。2016年，馬克斯·普朗克陸地微生物研究所的合成生物學家Tobias Erb和他的同事設計出了第七種途徑[2]。Erb說：「我們只是單純地從熱力學和動力學的角度重新思考了CO2的固定，並想辦法讓這個過程更高效。」他們將新途徑命名為「CETCH循環」（CETCH cycle），這是一個由酶組成的複雜網絡，其能量效率比天然的光合作用途徑高20%。
但研究人員並不清楚CETCH循環是否能與活細胞機器的其他部分兼容。為了探索這種可能性，Erb的同事Tarryn Miller把目光投向了菠菜。她提取了菠菜葉綠體中收集陽光的膜，並將這些膜與CETCH循環的16個酶一起放入反應容器。經過一些微調，Erb、Miller和他們的合作者發現，他們可以讓菠菜的膜和CETCH循環酶一起發揮作用。
他們實際上創造了一種人造葉綠體：菠菜葉綠體膜先捕獲太陽能，之後合成CETCH循環酶再利用該能量分解CO2。這些酶會把CO2轉變成一種名為乙醇酸的分子——可以作為原料，製造實用的有機產品。
美國國家再生能源實驗室的物理生化學家Paul King沒有參與這項研究，但他評價道：「這是一項很有意義的發現。」
作者表示，雖然只是一次原理驗證研究，但它標誌著我們可以開始思考人造葉綠體的可能應用場景了。有賴於合成生物學的發展，經過工程改造的微生物現在可以用來大量生產有用的分子，比如藥物。但是，能在活細胞內合成的物質依然有限。Erb表示，人造葉綠體可以驅動非生物微型反應器，生成活細胞無法生成的分子。
它們在這方面的效率甚至可能趕超微生物，明尼蘇達大學的合成生物學家Kate Adamala說，「天然細胞會將很多能量用在維持生命上，而合成【系統】不需要生長、繁殖或維持任何類似生命的功能。」這意味著合成系統的整個「代謝」功能可以全部用於生產有價值的化學物。Adamala說，我們甚至可以想像人造葉綠體在封存大氣CO2方面一展身手了。
然而，在這類應用成為現實前，還有一些問題需要解決。比如，這種人造葉綠體內的菠菜膜工作幾小時後便會開始降解，因而限制了整個系統的使用壽命。此外，種植菠菜並從菠菜細胞中提取膜也是相對耗時的一項工程。Erb說：「利用葉綠體提取物並不是最優的升級方式。」正因為如此，他的團隊還在開發能替代菠菜膜的人造系統。
另外，利用人造葉綠體構建全合成微生物的前景也令人興奮，這些全合成生物將利用構成生命的基本生物學單元在實驗室組裝完成——當然，在那之前還要先攻克一些難關。
「我們或許能將這種人造葉綠體用作人造細胞的產能系統。」東京工業大學的合成生物學家Yutetsu Kuruma說。但他認為最好先讓人造葉綠體擁有和天然葉綠體一樣的自我修復和自我繁殖能力。這也是他們目前遇到的技術瓶頸。
不過，這些困難並沒有阻止Erb和他的同事開始合成細胞實驗。他們團隊已經開始與美國克雷格·文特爾研究所的研究人員合作，後者在2016年構建出了只含有生命所需最少量基因的合成細胞。他們的計劃是將CETCH循環放入這種「最小化」細胞內——如果成功，我們可能向著製造能通過吸收CO2進行自我餵養的合成生命前進了一小步。
「大自然有時候非常保守，從來不會去探索光合作用的所有方式。」Erb說，「這是讓我們興奮的地方：我們可以實現自然從沒有嘗試過的可能。」
參考文獻：
1.Miller, T. E. et al. Science 368, 649–654 (2020).
2.Schwander, T. et al. Science 354, 900–904 (2016).
原文以Cyber-spinach turns sunlight into sugar為標題發表在2020年5月7日的《自然》新聞上
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Nature|doi: 10.1038/d41586-020-01396-4
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