Science:重大進展!構建出人造葉綠體,比自然界的光合作用更高效!

2020-11-27 騰訊網

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世界衛生組織17日公布的最新數據顯示，中國以外新冠確診病例達到4441013例。全球範圍內，新冠確診病例較前一日增加100012例，達到4525497例；死亡病例較前一日增加5336例，達到307395例。

經過幾十億年的時間，微生物和植物進化出了一種非凡過程，即我們所知道的光合作用。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。作為產生光合作用的細胞區室，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。

圖片來自Planck Institute for terrestrial Microbiology/Erb。

但如何從頭開始建造一個有生命的光合細胞？模擬活細胞的光合過程的關鍵是讓它的各個組成部分在合適的時間和地點共同發揮作用。在德國馬普學會，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。

如今，由Tobias Erb主任領導的一個研究團隊成功地創建了一種平臺，用於自動構建細胞大小的光合作用區室---人造葉綠體（artificial chloroplast），所構建出的人造葉綠體可以用光來捕捉和轉化溫室氣體二氧化碳。

相關研究結果發表在2020年5月8日的Science期刊上，論文標題為「Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts」。

微流控技術遇上合成生物學

這些來自馬克斯-普朗克陸生微生物研究所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質材料。

Tobias Erb解釋說，「我們首先需要一種能量模塊，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提供固定能量，我們計劃利用這種能力。」

從菠菜植物中分離出來的光合作用機構被證明足夠強大，它可以用來驅動單一的反應和更複雜的光反應網絡。對於暗反應，這些研究人員使用了自主研發的人工代謝模塊--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，他們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這種二氧化碳固定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。

通過與法國科學院保羅-帕斯卡爾研究中心（CRPP）的Jean-Christophe Baret實驗室合作，這些研究人員開發出了一種將這種用於二氧化碳固定的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高效

這種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配備。論文第一作者Tarryn Miller說，「我們可以生產成千上萬個相同配備的液滴，或者我們可以賦予單個液滴特定的屬性。這些可以通過光在時間和空間上加以控制。」

與傳統的在活的有機體上進行的基因改造不同的是，這種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。Tobias Erb 說道，「這種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方案。」在他看來，這些成果在未來有著巨大的潛力。

在這項新的研究中，這些研究人員能夠證實給這種人造葉綠體配備上新的酶和反應，就可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，生命類似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，我們只處於這一激動人心的發展過程的開始階段。」此外，這些成果是克服未來最大挑戰之一---大氣中不斷增加的二氧化碳濃度---的又一個最新進展。

參考資料：

1.Tarryn E. Miller et al. Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts. Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz6802.

2.Nathaniel J. Gaut et al. Toward artificial photosynthesis. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc1226.

3.Researchers develop an artificial chloroplast

https://phys.org/news/2020-05-artificial-chloroplast.html

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  • 2020年5月8日Science期刊精華
    1.Science：抗癌藥物伊利司莫有望治療門克斯病等銅缺乏症doi:10.1126/science.aaz8899; doi:10.1126/science.abb6662門克斯病是一種罕見的遺傳性疾病，大約每5萬～30萬名新生兒中就有1名患此病。
  • 人造「葉綠體」和普通的葉綠體有何不同?
    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！
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    光合作用是自然界普遍存在的一種能量轉換現象，簡單說就是植物通過吸收二氧化碳，在陽光的作用下釋放氧氣的過程。所以，光合作用在現在是普遍存在於地球的植物界的一種現象，這種能量轉化的現象是根據細胞的結構決定的，動植物的細胞結構是有很大的區別的，像細胞壁，葉綠體這些東西，動物細胞都是沒有的，而植物進行光合作用也是有著特定的細胞的，和普通細胞有著教大的區別，進行光合作用的細胞都是特定的，其中有葉綠體的存在，才能進行光合作用。