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經過幾十億年的時間，微生物和植物進化出了我們所知道的光合作用的非凡過程。光合作用將太陽的能量轉化為化學能，從而為地球上的所有生命提供食物和氧氣。構成分子機器的細胞室--葉綠體，可能是地球上最重要的自然引擎。許多科學家認為人工重建和控制光合作用過程 是 "我們這個時代的阿波羅計劃"。這將意味著有能力生產出清潔能源--清潔燃料、清潔碳化合物（如抗生素），以及其他僅靠光和二氧化碳就能產生的產品。
但如何從頭開始建造一個有生命的光合細胞？模仿活細胞的過程的關鍵是讓細胞的各個組成部分在合適的時間和地點共同工作。在馬克斯-普朗克學會，這個雄心勃勃的目標是在一個跨學科的多實驗室計劃--MaxSynBio網絡中實現的。現在，由Tobias Erb主任領導的馬爾堡研究團隊已經成功地創建了一個平臺，用於自動構建細胞大小的光合作用小室--"人造葉綠體"，能夠用光來捕捉和轉化溫室氣體二氧化碳。
微流控技術遇上合成生物學
馬克斯-普朗克的研究人員利用了兩項最新的技術進展：一是合成生物學，用於設計和構建新型的生物系統，如用於捕獲和轉化二氧化碳的反應網絡；二是微流控技術，用於組裝細胞大小的液滴等軟材料。
"我們首先需要一個能量模塊，可以讓我們以可持續的方式為化學反應提供動力。在光合作用中，葉綠體膜為二氧化碳固定提供能量，我們計劃利用這種能力"，Tobias Erb解釋說。
事實證明，從菠菜植物中分離出來的光合作用裝置足夠堅固，可以用來驅動單一反應和更複雜的光照反應網絡。對於黑暗反應，研究人員使用了自己的人工代謝模塊--CETCH循環。它由18種生物催化劑組成，比植物中自然發生的碳代謝更有效地轉化二氧化碳。經過幾輪優化，團隊成功地在體外對溫室氣體二氧化碳進行了光控固定。
第二個挑戰是在微觀尺度上將該系統組裝在一個確定的空間內。考慮到未來的應用，它也應該很容易實現自動化生產。研究人員與法國保羅-帕斯卡爾研究中心（CRPP）的Jean-Christophe Baret實驗室合作，開發了一個將半合成膜封裝在細胞狀液滴中的平臺。
比自然界的光合作用更有效率
由此產生的微流控平臺能夠生產出成千上萬個標準化的液滴，這些液滴可以根據所需的代謝能力進行單獨裝備。"我們可以生產成千上萬個相同裝備的液滴，或者我們可以賦予單個液滴特定的屬性，"該研究的主要作者Tarryn Miller說。"這些可以在時間和空間上通過光來控制。"
與傳統的生物體上的基因工程相比，自下而上的方法具有決定性的優勢。它專注於最小的設計，而且它不一定受自然生物學的限制。"這個平臺讓我們能夠實現自然界在進化過程中沒有探索過的新穎方案，"託比亞斯-埃爾布解釋道。在他看來，這些成果在未來有著巨大的潛力。在他們在《科學》雜誌上發表的論文中，作者們能夠證明，給 "人造葉綠體 "裝備上新型的酶和反應，導致二氧化碳的結合率比以前的合成生物學方法快100倍。"從長遠來看，類似生命的系統可以應用到幾乎所有的技術領域，包括材料科學、生物技術和醫學----我們只是在這一激動人心的發展過程中的開始。" 此外，這些成果是克服未來最大的挑戰之一：大氣中不斷增加的二氧化碳濃度。
論文標題為《Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts》。