人工叶绿体,能量的发动机

光合作用过程将太阳能转换为化学能,为地球上的生命提供食物和氧气。叶绿体作为光合作用的主要场所,更是被誉为是大自然的发动机。

数十亿年来,微生物和植物进化出了意义非凡的光合作用过程,将太阳能转换为化学能,为地球上的生命提供食物和氧气。叶绿体作为光合作用的主要场所,更是被誉为是大自然的发动机。

那么,如何构建一个可以进行光合作用的活细胞呢?关键之处在于,如何使细胞各组件在正确的时间、正确的地点协同工作。

德国马克斯普朗克研究所的科学家们,成功地构建「人工叶绿体」,它不仅可以提供细胞大小的光合活性区室,还能够捕获并转化温室气体——二氧化碳。

人工叶绿体,能量的发动机

据报道,该「人工叶绿体」是由菠菜中提取的采光组件和9种不同生物体的酶相结合,可以在细胞外运作以收集阳光,并利用所产生的能量将二氧化碳作为碳源,转化为有机物。

根据以往的研究结果,我们了解到从菠菜中分离出来的光合作用组件相对稳定,可以用来驱动单个反应和更复杂的光学网络。

然而对于避光反应,研究人员使用了他们自主研发的人工代谢模块,该模块是由18种生物催化剂组成。

相较于植物中自主发生的碳代谢途径,该人工代谢模块可以更加有效地转化二氧化碳。经过几轮的实验优化,研究小组成功地在光控条件下捕获了温室气体。

人工叶绿体,能量的发动机

接下来面临的挑战就是:如何将该系统组装在特定规模的微型区室内?

研究团队利用微流体组装的最新技术,巧妙地将半合成膜包裹在细胞大小的液滴中,成功构建了细胞大小的光合活性区室。

「人工叶绿体」之所以得以成功,主要有赖于合成生物学和微流体组装软材料的技术突破,从而使得研究人员推出了可以持续推动化学反应的能量模块。

研究人员希望,可以通过「人工叶绿体」将二氧化碳直接转化为更有用的化学物质,或者帮助通过基因工程改造的农作物,在快速生长的同时又可以大大提高其吸收二氧化碳的能力。

参考文献:

  1. Thomas Schwander et al, “A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro”, Science , 2016, 354, 900-904.
  2. Tarryn E. Miller et al, “Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts”, Science, 2020, 368, 649-654.
  3. Robert F. Service, “Artificial chloroplasts turn sunlight and carbon dioxide into organic compounds”, Science News, May. 8, 2020.
  4. “Researchers develop an artificial chloroplast”, Max Planck Society, May. 8, 2020.

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