2020 年世界十大科技進展新聞

人造葉綠體研制成功

   德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所和法國波爾多大學的研究人員2020年5月8日在《科學》上發(fā)文，他們通過將菠菜的“捕光器”與9種不同生物體的酶結(jié)合起來，制造了人造葉綠體。這種葉綠體可在細胞外工作、收集陽光，并利用由此產(chǎn)生的能量將二氧化碳轉(zhuǎn)化成富含能量的分子。

   光合作用過程分兩步。首先，在葉綠體中，葉綠素吸收太陽光，并將多余的能量傳遞給分子伴侶，分子伴侶利用這些能量產(chǎn)生儲存能量的化學物質(zhì)三磷酸腺苷（ATP）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）。一系列其他酶在復(fù)雜的循環(huán)中，利用ATP和NADPH將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖和其他富含能量的有機分子，供植物生長使用。

   二氧化碳轉(zhuǎn)化始于一種叫做RuBisCO的酶，它促使二氧化碳與一種關(guān)鍵的有機化合物發(fā)生反應(yīng)，從而開啟植物產(chǎn)生重要代謝物所需的一系列反應(yīng)。

   2016年，德國馬普學會地球微生物學研究所合成生物學家Tobias Erb及其同事試圖通過設(shè)計一套新的化學反應(yīng)為光合作用加速。他們用一種細菌酶取代了RuBisCO，這種細菌酶同樣能夠捕捉二氧化碳，并使反應(yīng)速度加快10倍。同時，結(jié)合來自9種不同生物體的16種其他酶，研究人員創(chuàng)造了一個二氧化碳到有機化合物的新的化學循環(huán)，稱之為CETCH循環(huán)。

   為了讓整個過程能在陽光下運行，Erb和同事從菠菜葉細胞中提取類囊體膜（已有研究證明類囊體膜可在植物細胞外工作），并將能夠捕光的類囊體與CETCH循環(huán)系統(tǒng)配對組合，從而可以利用光不斷地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機代謝物羥基乙酸。

   為了將捕光類囊體與CETCH循環(huán)有效結(jié)合，Erb團隊與法國保羅·帕斯卡研究中心微流體學家Jean-Christophe Baret團隊合作，設(shè)計了一種裝置，可以在油中產(chǎn)生數(shù)千個微小液滴，并向每個液滴中注入不同數(shù)量的類囊體膜組件和CETCH循環(huán)酶。這使得研究人員能從中比較、找出生產(chǎn)羥基乙酸最高效的配方。

   Erb和同事希望進一步修改配方，以生產(chǎn)其他有機化合物，甚至比羥基乙酸更有價值的分子。他們還希望將捕獲的二氧化碳更高效地轉(zhuǎn)化為植物生長所需的有機化合物。■