Science:人造“叶绿体”来了!

2020
05/12

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理论上可将CO2转化为任何我们需要的有机物
【导读】光合作用是地球上最重要的化学反应,对维持大气的碳-氧平衡具有重要意义,同时也为地球上的生命直接或间接地提供了生存需要的物质和能量。2020 年 5 月 8 日,德国马普所和法国波尔多大学的研究人员在 Science 发表重磅成果:研究团队开发的自动化人造叶绿体组装平台,可以根据人们的需求制造出不同的人造叶绿体,不仅可以吸收空气中的 CO2,而且理论上还可以根据人们的需求合成各种不同的有机物,例如药物、燃料等。


光合作用广泛存在于自然界。叶绿体通过收集太阳光能,将水和二氧化碳转化为有机物(首先是葡萄糖),并释放出氧气。这不仅是我们人类和其他地球生物赖以生存的基础,也是地球碳氧平衡的重要媒介。

然而随着全球工业化的脚步,温室气体尤其是 CO2 排放不断增加,这一平衡被逐渐打破,全球平均气温不断升高,导致我们的生存环境也日益严峻。

面对碳排放的不断增加,科学家们一直想研发出一种可持续性的解决方案。

近日,来自德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的 Tobias J. Erb 教授以及来自法国波尔多大学的 Jean-Christophe Baret 教授合作,
成功开发了一种自动化人造叶绿体组装平台,这一平台可以根据人们的需求制造出不同的人造叶绿体,不仅可以吸收空气中的 CO2,而且理论上还可以根据人们的需求合成各种不同的有机物,例如药物,燃料等。




这一研究成果近日发表在全球顶级期刊《科学》杂志上。


人工光合作用:当今时代的“阿波罗计划”


在过去的 200 年内,人们对光合作用的认识不断加深。1915 年诺贝尔奖获得者威尔施泰特首次从绿色植物的叶片中分离纯化出了叶绿素,并阐述了它的化学组成,为人们从分子水平上认识光合作用奠定了基础。此后的 1961 年、1988 年、1997 年诺贝尔化学奖,也都颁发给了关于光合作用的研究成果。

目前,我们已经知道,绿色植物光合作用发生在植物细胞中的叶绿体,具体分为两个阶段:光反应阶段与暗反阶段。

其中,光反应发生在叶绿体的类囊体膜结构,利用二氧化碳与水在光照条件下为暗反应提供必需物质;暗反应则发生在叶绿体基质中,利用光反应产物即可生成葡萄糖,完成了碳的固定,用以供给生命,即将无机物转变成了有机物。



虽然植物光合作用对于全球碳氧平衡的维持至关重要,但是,想要对植物光合作用进行人为干预,从操作难度和成本上考虑也不现实。

因此,许多科学家想通过人工合成叶绿体,来实现更好的利用太阳能来捕获环境中的 CO2,并将其转化为有机分子,例如燃料、药物等。合成光合作用的人工替代品,也被称为当今时代的“阿波罗计划”。



其实,科学家们早已实现了人工叶绿体的合成,能够分解水并固定二氧化碳,因此人工叶绿体的生物合成早已不是什么科学难题。然而,如何重现植物叶绿体的复杂性和光合效率,尤其是既可以收集光能,又可以利用光能合成人们所需要的有机物,一直是摆在科学家面前的难题。

可以任意改造的人工叶绿体


Erb 教授长期致力于人工叶绿体的应用研究。早在 2016 年,Erb 就在自己位于德国马尔堡马克斯·普朗克陆地生物学研究所的实验室开发了一种人工碳固定方案。该方案称为 Cetch 循环,可以通过一系列自然和工程化酶(包括巴豆酰 CoA /乙基丙二酰 CoA /羟基丁酰 CoA)将二氧化碳转化为有机分子,并且这一方案比天然植物固定碳的效率更高。

当然,仅仅实现 CO2 的固定和光能的利用并不能满足 Erb 教授的“野心”。

为了实现人造叶绿体的量产,同时也为了让这些人造叶绿体能按照人类的需求和成有机物,Erb 教授又在人工叶绿体的基础上进行了两项创新。

一是合成生物学与纳米微流控技术结合,将从菠菜中提取的叶绿体膜和 2016 年研发的 Cetch 循环耦合,合成了细胞大小的液滴,这些液滴可以作为叶绿体吸收太阳能并固定 CO2。

二是自主研发了人工叶绿体组装平台,不仅可以实现自动化生产人工叶绿体,还能根据人们的需求通过添加不同的酶从而制备不同功能的人工叶绿体。通过光便可以控制这些人工叶绿体合成不同的物质。

每个细胞大小的液滴充当一个合成的叶绿体,在显微镜图像中可见的类囊体膜利用光来产生 NADPH 和 ATP,它们为固定二氧化碳的酶反应级联提供能量

在该系统中,太阳能被菠菜叶绿体的膜吸收转化,然后提供给 Cetch 循环中的酶进行一系列反应,从而将空气中的 CO2 吸收,转化有机物。而我们只需要对人工叶绿体中的酶做出调整,便可以使其合成不同功能的有机物。

对此,Erb 教授表示,“据我所知,这是人类首次在人工叶绿体内将 CO2 转化为多碳化合物。全新的组装平台使我们能够生产成百上千个细胞大小的人造叶绿体,它们可以彼此独立的运行,我们任意改造这些人工叶绿体,从而满足不同的需求,以适应未来不同生物技术的应用。”

此外研究人员还能证明,这一新型平台合成的人工叶绿体吸收 CO2 的速度比之前合成生物学的方法快了 100 倍。因此,Erb 教授还认为这一结果未来几乎可以应用于所有领域,包括材料科学,生物技术以及医学。

不过目前这一人工叶绿体并不完美,在实验过程中,它们仅在 2 小时内有活性。但 Erb 教授认为这并不是什么问题,他表示“我们已经多次证明可以通过添加一些特殊的蛋白质和酶来维持这个系统的稳定,所以这只是一个需要优化的问题。”

参考资料:
https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649
https://www.inverse.com/innovation/artificial-photosynthesis
https://www.mpg.de/14786713/0506-terr-138345-fotosynthese-im-tropfen?c=2191
https://www.chemistryworld.com/news/artificial-chloroplasts-turn-co2-into-multicarbon-molecules-powered-only-by-light/4011694.article
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