中國網/中國發展門戶網訊 光合作用是植物利用太陽光能，以 CO2和水為原料，合成碳水化合物的生物物理、生物化學過程。光合作用為人類提供糧食、能源，同時也是地球生態系統中碳循環和水循環中的關鍵一環。光合作用對人類社會的重要性，使得對其的研究及應用一直代表著人類探究自然、改造自然的最前沿。當前，隨著基因組學、基因組編輯及合成技術、計算能力的快速發展，一個全新的合成生物學研究模式正在形成：一方面，可以設計並製造全新代謝、結構及調控模式，創製新生物學功能；另一方面，利用該模式為生命科學基礎研究提供全新研究材料及視角，從而檢驗當前生命科學的基本理論及假設。光合作用合成生物學在這個多學科融合的大背景下應運而生。光合作用合成生物學的實質是利用光合作用基本原理，整合多學科理論、技術方法，通過理論設計、工程改造及人工進化等手段，創建新型光合系統，為社會創製更好的糧食、能源、生態系統服務功能供給方式，並為光合作用研究提供新材料及資源，提高人類認識光合作用、利用光合作用的能力。
我國及國際光合作用合成生物學研究現狀
歷史上，我國在光合作用基礎研究上曾經作出重大貢獻。早在 20 世紀 60—70 年代，我國集中開展了光合作用光能磷酸化的機理研究，提出在 ATP 合成過程中需要有高能態存在，支持了 ATP 合成過程中的電化學勢梯度學說；同時，中國科學院植物生理研究所殷宏章等在 20 世紀 60 年代就認識到冠層光合作用效率對產量有重大貢獻，並系統開展其定量研究。近年來，我國在光合作用光反應色素蛋白複合體的結構與功能、C4光合作用等領域、Rubisco 結構與功能、光合作用光系統調控及建成等研究領域獲得較大進展。然而，整體而言，我國光合作用研究與美國相比，研究規模及水平仍存在較大差距。對 1997—2017 年光合作用相關研究的 SCI 論文進行統計發現，美國在光合作用領域的研究數量及質量都佔世界首位，其 10 年論文量為 22 312 篇，佔該領域世界總文章量的 26.04%；ESI 高水平論文量 521 篇，佔 ESI 高水平論文量 1 201 篇的 43.38%；發表在 Nature、Science、Cell（CNS）三大刊的論文量為 247 篇，佔 CNS 論文量 403 篇的 61.29%。1997—2017 年光合作用領域專利申請量中國（12 102 件）超過美國（4 288 件）排名世界第一，但專利強度為 5 分及以上的專利數量，美國（1 025 件）排名世界第一，中國（654 件）排名第二。
在光合作用合成生物學領域中，近年來國際相關研究團隊獲得長足發展。尤其是以比爾-梅琳達蓋茨基金會支持的國際 C4水稻項目、國際以 C3改良為核心的 RIPE 項目為支點，當前國際上已經建立了多個光合作用合成生物學研究高地，建立了高度合作的國際研究團隊，創建了開展光合作用合成生物學研究的關鍵工具、平臺及資源，並取得重大進展。與此同時，以色列威茲曼研究院在自養大腸桿菌創建方面獲得長足進展，實現了利用丙酮酸支持大腸桿菌自養生存，為自養型工業微生物建成跨出實質性一步。
在光合作用合成生物學研究領域，我國科學家也經過多年的努力，在幾個研究領域中佔據國際領先或者齊平的地位。首先，在國家相關經費尤其是中國科學院戰略性先導科技專項的支持下，我國建立了從分子、細胞器、細胞、葉片、冠層乃至整個個體的系列光合作用系統模型，對於指導 C3、C4及全新光合途徑的改造起到支撐作用；近期又連同國際同行，創立了專業學術雜誌 in silico Plant，這為我國在該領域持續開展國際領先性的研究、確立標準制定權奠定了基礎。同時，我國也在光呼吸支路改造、藻膽體重建、光合特定基因改造等方面開展了研究。
同時，我國研究人員也建立了以藍細菌等單細胞藻為底盤，生產各類能源及高附加值分子的研究體系及平臺，樹立了以微擬球藻為代表的工業微藻合成生物學模式物種，建立了能源微藻合成生物學國際研究合作網絡，為深入理解光合作用的網絡調控機制，以及設計與構建高效、低成本、可規模化部署的光合產能細胞工廠奠定了基礎。同時，結合化學、材料和合成生物學等方面的技術，國際上正在開展有機/無機人工光合複合催化體系，這代表著人工光合領域的一個研究熱點。這種具有廣闊前景的人工光合作用體系結合了生物系統的催化特異性，以及無機納米材料的高光電轉換效率等優點。其中蛋白酶-納米材料體系和活細胞-納米材料體系是該領域中較為常見的兩種方法。以活細胞-納米材料體系為例，這個體系巧妙地結合了細菌體內的代謝通路和無機材料提供代謝通路所需的還原力，從而通過模擬光合作用產生具有高附加值的產物。例如，日本科學家利用光能夠讓特定半導納米材料產生電子，電子通過甲基紫精跨膜傳遞到細胞體內，能驅動含有氫化酶的細菌連續不斷地產生氫氣。美國科學家則通過 CdS 量子點在細菌的表面原位沉積：在光照條件下，電子傳遞到細菌體內提供還原力來促進 Wood-Ljungdahl 循環的進行；最後，通過模擬人工光合作用，能直接將 CO2代謝生成乙酸，實現了光能到化學能的轉化和存儲。