科學家利用人造葉綠體開創出一種治理二氧化碳的新方法，研究人員已經發明了一種新的人工葉綠體，即改變植物細胞內部的光合結構，利用陽光和實驗室設計的化學途徑把CO2轉變成糖( CH2O)n。
人工光合作用可以用來驅動小型、無生命的太陽能工廠生產治療藥物。由於新的化學途徑比自然界進化的任何物質都更有效，研究小組希望有一天類似的過程能夠幫助地球降低二氧化碳，減輕溫室效應。從全球治理範圍來看，這個方法還不清楚是否能變成一個大規模的、在經濟上可行的操作，該成果發表在5月7日《科學》雜誌上。
研究人員利用太陽能或化學能源的酶將CO2轉化為六條固定的C—O化學鍵，這是自然轉化的糖分子結構。2016年，德國馬爾堡馬克斯普朗克陸地微生物研究所合成生物學家TobiasErb和他的同事就展開了此項研究。「我們只是用熱力學和動力學的來考慮是否可以重新把CO2降低，使這種方式更有效率」Erb說。他們將該途徑命名為CETCH循環：這個複雜的人工酶網絡，可比利用天然光合作用的途徑高出20%的能量效率。
但目前尚不清楚CETCH周期是否與活細胞的其他機制兼容。為了探索這種可能性，Erb的同事Tarryn Miller轉向菠菜。她從葉綠體(所有植物共有的光合細胞器)中提取捕光膜，並將它們與CETCH周期的16種酶一起放置在一個反應容器中。經過一些調整後，Erb，Miller和他們的團隊，驚喜地發現他們可以使菠菜膜和CETCH循環酶一起工作。
他們有效地創造了一種人造葉綠體，菠菜葉綠體膜利用陽光在合成的CETCH循環酶過程中能夠分解CO2，酶又把CO2變成一種叫做乙醇酸的分子，可用於製造有用的有機產品原料。
「這是一個深刻的發現，」保羅·金(PaulKing)說，他是科羅拉多州黃金國家可再生能源實驗室的物理生物化學家，他沒有參與這項研究。
作者說，雖然這只是一個原則的證明，但我們已經有可能想到人工葉綠體可以發揮更大作用的方法。由於合成生物學的進步，微生物現在可以被設計成生產有價值的東西，比如藥物等。但是在活細胞內合成的東西是有限度的，Erb說，人造葉綠體可以為非活的微型設備提供動力，以產生活細胞無法產生的分子，再利用這些分子來獲取循環能量，它們可以自主無限循環運行下去。
明尼蘇達州大學明尼阿波利斯分校的合成生物學家凱特·阿達馬拉(KateAdamala)說，他們的發現可能比微生物更有效率。她說：「自然細胞花費大量的精力維持生命，而合成的(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全部「新陳代謝」可以集中在生產有價值的化學物質上。Adamala說，甚至可以想像人造葉綠體在治理大氣汙染中起著巨大的作用。
但是，在這些應用程式成為現實之前，還有一些問題要解決。例如，人工葉綠體中的菠菜膜在開始降解前僅作用了幾個小時，限制了系統的工作壽命。從菠菜細胞中提取膜的效率很低。「使用葉綠體提取物並不是最聰明的事情，」Erb說。正因為如此，他的團隊還在開發人工系統來取代菠菜膜。
使用人工葉綠體建造完全合成生物體的可能性也很誘人，這些細胞是從生命的基本生物構件中組裝而成的，但同樣也存在著許多挑戰。
東京理工學院的合成生物學家Yutetsu Kuruma說：「我們也許可以將葉綠體模擬物用作人工細胞的能量生產系統。」但為了做到這一點，他說，人工葉綠體能夠像自然葉綠體一樣，具有自我修復和自我繁殖的能力，這將是一個顛覆時代的發明，目前科學技術還無法實現。
但這並沒有阻止Erb和他的同事開始對合成細胞進行實驗，該小組已開始與位於加利福尼亞州拉霍拉的J.Craig Venter研究所的研究人員合作，世衛組織在2016年建立了包含生命基因數量最少的微小合成細胞計劃，將CETCH周期放入「最小」細胞內，在製造合成生命的技術中邁出了一小步，它可以通過消化其他物質來養活自己。
「自然可能是非常保守的，它從來沒有探索所有利用光合作用的方法，」Erb說。「這就是讓我們興奮的地方：我們可以發明出超越自然界的解決方案。」
如果合成生命技術成熟，我們可以進一步合成我們需要的物質，在合成材料和智慧機器人製造方面將會產生飛躍式的發展，它的魔力就在於可以通過吃其他物質或陽光自動生產有價值的原料、自動維持運轉所需的能量，還能自我複製和修復。未來像電腦、手機等電子產品都會使用這種具有自我修復的材料，還能利用陽光生產出所需的東西。對航空航天、宇宙探索都具有深遠的應用意義。