《科學》雜誌發文:人造「葉綠體」來了,理論上可將CO2轉化為任何...

2020-12-06 鈦媒體APP

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文丨學術頭條

光合作用廣泛存在於自然界。葉綠體通過收集太陽光能，將水和二氧化碳轉化為有機物（首先是葡萄糖），並釋放出氧氣。這不僅是我們人類和其他地球生物賴以生存的基礎，也是地球碳氧平衡的重要媒介。

然而隨著全球工業化的腳步，溫室氣體尤其是 CO2 排放不斷增加，這一平衡被逐漸打破，全球平均氣溫不斷升高，導致我們的生存環境也日益嚴峻。

面對碳排放的不斷增加，科學家們一直想研發出一種可持續性的解決方案。

近日，來自德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所的Tobias J. Erb教授以及來自法國波爾多大學的Jean-Christophe Baret教授合作，成功開發了一種自動化人造葉綠體組裝平臺，這一平臺可以根據人們的需求製造出不同的人造葉綠體，不僅可以吸收空氣中的CO2，而且理論上還可以根據人們的需求合成各種不同的有機物，例如藥物，燃料等。

這一研究成果近日發表在全球頂級期刊《科學》雜誌上。

人工光合作用：當今時代的「阿波羅計劃」

在過去的200年內，人們對光合作用的認識不斷加深。1915年諾貝爾獎獲得者威爾施泰特首次從綠色植物的葉片中分離純化出了葉綠素，並闡述了它的化學組成，為人們從分子水平上認識光合作用奠定了基礎。此後的1961年、1988年、1997年諾貝爾化學獎，也都頒發給了關於光合作用的研究成果。

目前，我們已經知道，綠色植物光合作用發生在植物細胞中的葉綠體，具體分為兩個階段：光反應階段與暗反階段。

其中，光反應發生在葉綠體的類囊體膜結構，利用二氧化碳與水在光照條件下為暗反應提供必需物質；暗反應則發生在葉綠體基質中，利用光反應產物即可生成葡萄糖，完成了碳的固定，用以供給生命，即將無機物轉變成了有機物。

雖然植物光合作用對於全球碳氧平衡的維持至關重要，但是，想要對植物光合作用進行人為幹預，從操作難度和成本上考慮也不現實。

因此，許多科學家想通過人工合成葉綠體，來實現更好的利用太陽能來捕獲環境中的CO2，並將其轉化為有機分子，例如燃料、藥物等。合成光合作用的人工替代品，也被稱為當今時代的「阿波羅計劃」。

其實，科學家們早已實現了人工葉綠體的合成，能夠分解水並固定二氧化碳，因此人工葉綠體的生物合成早已不是什麼科學難題。然而，如何重現植物葉綠體的複雜性和光合效率，尤其是既可以收集光能，又可以利用光能合成人們所需要的有機物，一直是擺在科學家面前的難題。

可以任意改造的人工葉綠體

Erb教授長期致力於人工葉綠體的應用研究。早在2016年，Erb就在自己位於德國馬爾堡馬克斯·普朗克陸地生物學研究所的實驗室開發了一種人工碳固定方案。該方案稱為Cetch循環，可以通過一系列自然和工程化酶（包括巴豆醯CoA /乙基丙二醯CoA/羥基丁醯 CoA）將二氧化碳轉化為有機分子，並且這一方案比天然植物固定碳的效率更高。

當然，僅僅實現CO2的固定和光能的利用並不能滿足Erb教授的「野心」。

為了實現人造葉綠體的量產，同時也為了讓這些人造葉綠體能按照人類的需求和成有機物，Erb 教授又在人工葉綠體的基礎上進行了兩項創新。

一是合成生物學與納米微流控技術結合，將從菠菜中提取的葉綠體膜和2016年研發的Cetch循環耦合，合成了細胞大小的液滴，這些液滴可以作為葉綠體吸收太陽能並固定CO2。

二是自主研發了人工葉綠體組裝平臺，不僅可以實現自動化生產人工葉綠體，還能根據人們的需求通過添加不同的酶從而製備不同功能的人工葉綠體。通過光便可以控制這些人工葉綠體合成不同的物質。

每個細胞大小的液滴充當一個合成的葉綠體，在顯微鏡圖像中可見的類囊體膜利用光來產生NADPH和ATP，它們為固定二氧化碳的酶反應級聯提供能量

在該系統中，太陽能被菠菜葉綠體的膜吸收轉化，然後提供給Cetch循環中的酶進行一系列反應，從而將空氣中的CO2 吸收，轉化有機物。而我們只需要對人工葉綠體中的酶做出調整，便可以使其合成不同功能的有機物。

對此，Erb教授表示，「據我所知，這是人類首次在人工葉綠體內將CO2轉化為多碳化合物。全新的組裝平臺使我們能夠生產成百上千個細胞大小的人造葉綠體，它們可以彼此獨立的運行，我們任意改造這些人工葉綠體，從而滿足不同的需求，以適應未來不同生物技術的應用。」

此外研究人員還能證明，這一新型平臺合成的人工葉綠體吸收CO2的速度比之前合成生物學的方法快了100倍。因此，Erb教授還認為這一結果未來幾乎可以應用於所有領域，包括材料科學，生物技術以及醫學。

不過目前這一人工葉綠體並不完美，在實驗過程中，它們僅在2小時內有活性。但Erb教授認為這並不是什麼問題，他表示「我們已經多次證明可以通過添加一些特殊的蛋白質和酶來維持這個系統的穩定，所以這只是一個需要優化的問題。」

參考資料：https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649https://www.inverse.com/innovation/artificial-photosynthesishttps://www.mpg.de/14786713/0506-terr-138345-fotosynthese-im-tropfen?c=2191https://www.chemistryworld.com/news/artificial-chloroplasts-turn-co2-into-multicarbon-molecules-powered-only-by-light/4011694.article

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