眾所周知，葉綠體是為綠色植物進行光合作用的場所，簡單來講，是高等植物和一些藻類所特有的能量轉換器。它由葉綠體外被、類囊體和基質三部分組成。其中類囊體分布在葉綠體基質和藍藻細胞中，是單層膜圍成的扁平小囊，也稱為囊狀結構薄膜。類囊體是光合作用的主要部位，因為「光能向活躍的化學能的轉化」在此上進行，因此類囊體膜亦稱光合膜。
在地球上，綠色植物的光合作用給地球和人類補充了氧氣，生命才得以持續發展，那麼我們是否能「造」出葉綠體呢？據一項研究表明：人工葉綠體已經實現，而且人工葉綠體可以成功地將陽光和二氧化碳轉化為有機化合物！
「人造葉綠體」誕生
葉綠體是光合作用的核心引擎，據了解，合成生物學家已經重新製造出葉綠體，就像機械師把舊的引擎部件拼湊起來製造一輛新的跑車一樣，科學家通過將菠菜植物的採光機械與9種不同生物體的酶結合起來，可以製造出一種人造葉綠體，這種葉綠體可以在細胞外工作，收集陽光，並利用由此產生的能量將二氧化碳（CO2）轉化成富含能量的分子。研究人員希望他們增強的光合作用系統最終能將二氧化碳直接轉化成有用的化學物質，或者幫助基因工程植物吸收高達普通植物大氣二氧化碳10倍的二氧化碳。這項重新編程生物學的工作可以大大提高將二氧化碳轉化為植物物質以及直接轉化為有用化學物質的效率。
光合作用
學過初中生物的朋友都知道，光合作用是一個兩步過程。這是一個植物利用太陽的光能，同化二氧化碳（CO2）和水（H2O）製造有機物質並釋放氧氣的過程。具體來講，光合作用所產生的有機物主要是碳水化合物，並釋放出能量在葉綠體中，葉綠素分子吸收太陽光，並將多餘的能量傳遞給分子伴侶，分子伴侶利用這些能量產生儲存能量的化學物質三磷酸腺苷（ATP）和煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯（NADPH）。一系列其他酶在複雜的循環中工作，然後利用ATP和NADPH將空氣中的CO2轉化為葡萄糖和其他富含能量的有機分子，供植物生長。
二氧化碳轉化首先是一種叫做RuBisCO的酶，它促使二氧化碳與一種關鍵的有機化合物發生反應，開始一系列在植物中產生重要代謝物所需的反應。不過人造葉綠體的光合作用也存在問題，那就是RuBisCO酶的傳輸速度超級低。每一種酶的拷貝每秒只能捕獲和使用5到10個二氧化碳分子，這就限制了植物的生長速度。
2016年，科學家曾經試圖通過設計一套新的化學反應來加速事態的發展。他們取代了RuBisCO，取而代之的是一種細菌酶，這種酶能捕捉二氧化碳分子，並迫使它們反應速度加快10倍。結合來自9種不同生物體的16種其他酶，這創造了一個新的二氧化碳到有機化學循環，他們稱之為CETCH循環。
這就解決了第二步。但是為了讓整個過程在陽光下運行，科學家首先研究了稱為類囊體膜的葉綠體成分，類囊體膜是含有葉綠素和其他光合作用酶的囊狀組件，前面已經提到過。其他研究人員先前已經證明類囊體膜可以在植物細胞外工作。因此科學家從菠菜葉細胞中提取類囊體膜，並證明它們的組合也能吸收光並將其能量傳遞給ATP和NADPH分子。而且通過將捕光類囊體與其CETCH循環系統配對，使得研究小組能夠利用光不斷地將二氧化碳轉化為一種叫做乙醇酸鹽的有機代謝物。
為了將採光設備與CETCH循環結合起來，研究人員不得不做一些調整。為了優化整個集成，研究團隊設計了一種裝置，可以在油中產生數千個微小的水滴，並向每個水滴注入不同數量的類囊體膜組件和CETCH循環酶。這使得研究人員能夠找到生產乙醇酸鹽最有效的配方。通過進一步比較所有可能的組合和不同元素的濃度，可以使這一過程更加有效。
未來的期望
不過科學家希望進一步修改他們的設置，以生產其他有機化合物，甚至比乙醇酸鹽更有價值，如藥物分子。他們還希望更有效地將捕獲的二氧化碳轉化為植物生長所需的有機化合物。這將為將這種新的光合作用途徑的基因改造成作物打開大門，創造出比現有品種生長速度快得多的新品種，這對人口激增的世界農業乃至整個地球來說都是一個福音。