本文來自微信公眾號(hào)：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原文作者：Colin Barras

吃二氧化碳的方式再添新招,。葉綠體（chloroplast）是植物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu),，現(xiàn)在研究人員創(chuàng)造出了一種人造葉綠體，可以利用陽光和實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的化學(xué)通路將CO2變成糖,。

人造光合作用可以用來驅(qū)動(dòng)非生物微型太陽能工廠,，生產(chǎn)大量藥物。此外,，由于這種新的化學(xué)通路比自然演化的任何途徑都更高效,，研究團(tuán)隊(duì)希望類似的過程將來能用來清除大氣中的CO2。不過,，尚不清楚這種操作是否可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上可行的規(guī)?；＿@項(xiàng)研究發(fā)表在5月7日的《科學(xué)》上^[1],。

大自然演化出了六種“固定”（fixing）CO2的途徑,。所謂固定，就是利用能捕獲太陽能或化學(xué)能的酶,，把CO2變成糖,。2016年,，馬克斯·普朗克陸地微生物研究所的合成生物學(xué)家Tobias Erb和他的同事設(shè)計(jì)出了第七種途徑^[2]。

Erb說：“我們只是單純地從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度重新思考了CO2的固定,，并想辦法讓這個(gè)過程更高效,。”他們將新途徑命名為“CETCH循環(huán)”（CETCH cycle）,，這是一個(gè)由酶組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),，其能量效率比天然的光合作用途徑高20%。

但研究人員并不清楚CETCH循環(huán)是否能與活細(xì)胞機(jī)器的其他部分兼容,。為了探索這種可能性,，Erb的同事Tarryn Miller把目光投向了菠菜。她提取了菠菜葉綠體中收集陽光的膜,，并將這些膜與CETCH循環(huán)的16個(gè)酶一起放入反應(yīng)容器,。經(jīng)過一些微調(diào)，Erb,、Miller和他們的合作者發(fā)現(xiàn),，他們可以讓菠菜的膜和CETCH循環(huán)酶一起發(fā)揮作用。

他們實(shí)際上創(chuàng)造了一種人造葉綠體：菠菜葉綠體膜先捕獲太陽能,，之后合成CETCH循環(huán)酶再利用該能量分解CO2,。這些酶會(huì)把CO2轉(zhuǎn)變成一種名為乙醇酸的分子——可以作為原料，制造實(shí)用的有機(jī)產(chǎn)品,。

美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室的物理生化學(xué)家Paul King沒有參與這項(xiàng)研究,，但他評(píng)價(jià)道：“這是一項(xiàng)很有意義的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

作者表示,，雖然只是一次原理驗(yàn)證研究，但它標(biāo)志著我們可以開始思考人造葉綠體的可能應(yīng)用場(chǎng)景了,。有賴于合成生物學(xué)的發(fā)展,，經(jīng)過工程改造的微生物現(xiàn)在可以用來大量生產(chǎn)有用的分子，比如藥物,。但是,，能在活細(xì)胞內(nèi)合成的物質(zhì)依然有限。Erb表示,，人造葉綠體可以驅(qū)動(dòng)非生物微型反應(yīng)器,，生成活細(xì)胞無法生成的分子。

菠菜的葉綠體膜被應(yīng)用在微流控芯片上（葉綠體是植物細(xì)胞內(nèi)捕獲光能的細(xì)胞器）

它們?cè)谶@方面的效率甚至可能趕超微生物,，明尼蘇達(dá)大學(xué)的合成生物學(xué)家Kate Adamala說,，“天然細(xì)胞會(huì)將很多能量用在維持生命上，而合成【系統(tǒng)】不需要生長(zhǎng)、繁殖或維持任何類似生命的功能,?！边@意味著合成系統(tǒng)的整個(gè)“代謝”功能可以全部用于生產(chǎn)有價(jià)值的化學(xué)物。Adamala說,，我們甚至可以想象人造葉綠體在封存大氣CO2方面一展身手了,。

然而，在這類應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)前,，還有一些問題需要解決,。比如，這種人造葉綠體內(nèi)的菠菜膜工作幾小時(shí)后便會(huì)開始降解,，因而限制了整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命,。此外，種植菠菜并從菠菜細(xì)胞中提取膜也是相對(duì)耗時(shí)的一項(xiàng)工程,。Erb說：“利用葉綠體提取物并不是最優(yōu)的升級(jí)方式,。”正因?yàn)槿绱?，他的團(tuán)隊(duì)還在開發(fā)能替代菠菜膜的人造系統(tǒng),。

另外,，利用人造葉綠體構(gòu)建全合成微生物的前景也令人興奮,，這些全合成生物將利用構(gòu)成生命的基本生物學(xué)單元在實(shí)驗(yàn)室組裝完成——當(dāng)然，在那之前還要先攻克一些難關(guān),。

“我們或許能將這種人造葉綠體用作人造細(xì)胞的產(chǎn)能系統(tǒng),。”東京工業(yè)大學(xué)的合成生物學(xué)家Yutetsu Kuruma說。但他認(rèn)為最好先讓人造葉綠體擁有和天然葉綠體一樣的自我修復(fù)和自我繁殖能力,。這也是他們目前遇到的技術(shù)瓶頸,。

不過，這些困難并沒有阻止Erb和他的同事開始合成細(xì)胞實(shí)驗(yàn),。他們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始與美國(guó)克雷格·文特爾研究所的研究人員合作,，后者在2016年構(gòu)建出了只含有生命所需最少量基因的合成細(xì)胞。他們的計(jì)劃是將CETCH循環(huán)放入這種“最小化”細(xì)胞內(nèi)——如果成功,，我們可能向著制造能通過吸收CO2進(jìn)行自我喂養(yǎng)的合成生命前進(jìn)了一小步,。

“大自然有時(shí)候非常保守，從來不會(huì)去探索光合作用的所有方式,?！盓rb說，“這是讓我們興奮的地方：我們可以實(shí)現(xiàn)自然從沒有嘗試過的可能,?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

1.Miller, T. E. et al. Science 368, 649–654 (2020).

2.Schwander, T. et al. Science 354, 900–904 (2016).

原文以Cyber-spinach turns sunlight into sugar為標(biāo)題發(fā)表在2020年5月7日的《自然》新聞上

本文來自微信公眾號(hào)：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原文作者：Colin Barras