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Science:重大进展!构建出人造叶绿体,比自然界的光合作用更高效!

发表时间:2020-05-20 17:37

经过几十亿年的时间,微生物和植物进化出了一种非凡过程,即我们所知道的光合作用。光合作用将太阳的能量转化为化学能,从而为地球上的所有生命提供食物和氧气。作为产生光合作用的细胞区室,叶绿体可能是地球上最重要的自然引擎。


许多科学家认为人工重建和控制光合作用过程是 "我们这个时代的阿波罗计划"。这将意味着有能力生产出清洁能源---清洁燃料、清洁碳化合物(如抗生素),以及其他仅靠光和二氧化碳就能产生的产品。



图片来自Planck Institute for terrestrial Microbiology/Erb


但如何从头开始建造一个有生命的光合细胞?模拟活细胞的光合过程的关键是让它的各个组成部分在合适的时间和地点共同发挥作用。在德国马普学会,这个雄心勃勃的目标是在一个跨学科的多实验室计划--MaxSynBio网络---中实现的。


如今,由Tobias Erb主任领导的一个研究团队成功地创建了一种平台,用于自动构建细胞大小的光合作用区室---人造叶绿体(artificial chloroplast),所构建出的人造叶绿体可以用光来捕捉和转化温室气体二氧化碳。


相关研究结果发表在2020年5月8日的Science期刊上,论文标题为“Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts”。



微流控技术遇上合成生物学


这些来自马克斯-普朗克陆生微生物研究所的研究人员利用了两项最新的技术进展:一是合成生物学,用于设计和构建新型的生物系统,如用于捕获和转化二氧化碳的反应网络;二是微流控技术,用于组装细胞大小的液滴等软质材料。


Tobias Erb解释说,“我们首先需要一种能量模块,可以让我们以可持续的方式为化学反应提供动力。在光合作用中,叶绿体膜为二氧化碳提供固定能量,我们计划利用这种能力。”


从菠菜植物中分离出来的光合作用机构被证明足够强大,它可以用来驱动单一的反应和更复杂的光反应网络。对于暗反应,这些研究人员使用了自主研发的人工代谢模块--CETCH循环。

它由18种生物催化剂组成,比植物中自然发生的碳代谢更有效地转化二氧化碳。经过几轮优化,他们成功地在体外对温室气体二氧化碳进行了光控固定。


第二个挑战是在微观尺度上将这种二氧化碳固定系统组装在一个确定的空间内。考虑到未来的应用,它也应该很容易实现自动化生产。


通过与法国科学院保罗-帕斯卡尔研究中心(CRPP)的Jean-Christophe Baret实验室合作,这些研究人员开发出了一种将这种用于二氧化碳固定的半合成膜封装在细胞状液滴中的平台。



比自然界的光合作用更高效


这种由此产生的微流控平台能够生产出成千上万个标准化的液滴,这些液滴可以根据所需的代谢能力进行单独配备。论文第一作者Tarryn Miller说,“我们可以生产成千上万个相同配备的液滴,或者我们可以赋予单个液滴特定的属性。这些可以通过光在时间和空间上加以控制。”


与传统的在活的有机体上进行的基因改造不同的是,这种自下而上的方法具有决定性的优势:它专注于最小的设计,而且它不一定受自然生物学的限制。Tobias Erb 说道,“这种平台让我们能够实现自然界在进化过程中没有探索过的新方案。”在他看来,这些成果在未来有着巨大的潜力。


在这项新的研究中,这些研究人员能够证实给这种人造叶绿体配备上新的酶和反应,就可导致二氧化碳的结合率比以前的合成生物学方法快100倍。“从长远来看,生命类似的系统可以应用到几乎所有的技术领域,包括材料科学、生物技术和医学,我们只处于这一激动人心的发展过程的开始阶段。”此外,这些成果是克服未来最大挑战之一---大气中不断增加的二氧化碳浓度---的又一个最新进展。


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