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人造叶绿体

来源:环球科学

植物类囊体被封装在直径约90微米的微液滴中。这些半合成的叶绿体配备了一组酶,遵循自然规律,利用太阳能固定二氧化碳。(图片来源:马克斯·普朗克陆地微生物研究所)

众所周知,在数十亿年的时间里,微生物和植物进化出了非凡的光合作用过程。光合作用将太阳能转化为化学能,从而为地球上所有的生命提供食物和氧气。细胞内的分子机器(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现和控制光合作用过程是“我们这个时代的阿波罗计划”。这将意味着生产清洁能源的能力——清洁燃料、清洁碳化合物(如抗生素),以及其他产品仅利用光和二氧化碳就能生产出来。

但是,如何从头开始建造一个能光合作用的活细胞呢?模仿活细胞过程的关键是让其组件在正确的时间和部位协同工作。在马克斯·普朗克学会(Max Planck Society)中,这一伟大的目标是通过跨学科的多实验室项目——MaxSynBio网络实现的。现在,由Tobias Erb主任领导的马尔堡研究小组已成功创建了一个平台,用于自动构建细胞大小的光合作用活性区,即“人造叶绿体”,它能够利用光捕获并转化温室气体二氧化碳。

合成生物学结合微流体技术

马克斯·普朗克的研究人员利用了最近的两项新技术:第一个是合成生物学,用于设计和构建新的生物系统,如用于捕获和转化二氧化碳的反应网络;第二个是微流体技术,用于组装软质材料,例如细胞大小的液滴。

“首先需要一个能源模块,使我们能够以可持续的方式为化学反应提供动力。在光合作用中,叶绿体膜为固碳提供能量,我们计划利用这种能力。”Tobias Erb解释道。

 

微流体平台上微滴的产生和实时观测。微滴被收集在一个小室中,显微镜可实时监测它们的活性,包括通过测量NADPH荧光确定酶的活性。(图片来源:普朗克陆地微生物研究所)

从菠菜植物中分离出来的光合作用“装置”被证明是足够强大的,它可以利用光来驱动单一反应和更复杂的反应网络。针对暗反应,研究人员使用了人工代谢模块,称为CETCH循环。它由18个生物催化剂组成,这些催化剂对二氧化碳的转化比植物中自然发生的碳代谢更有效。经过几轮优化,团队成功实现了在体外控制固定温室气体CO2

第二个挑战是在一个确定的小隔间内进行系统的微型组装。考虑到未来的应用,组装也应当易于满足自动化生产要求。在法国保罗·帕斯卡研究中心(CRPP)的Jean-Christophe Baret实验室的合作下,研究人员开发了一个将半合成膜封装在细胞状液滴中的平台。

比大自然的光合作用更有效

由此构建的微流体平台能够产生数千个标准液滴,这些液滴可以根据所需的代谢能力实现独立配置。“我们可以制造出成千上万个装备相同的水滴,也可以赋予单个水滴特定的属性。”该研究的第一作者Tarryn Miller说,“可以利用光在时间和空间上控制它们。”

与传统的生物基因工程相比,自下而上的方法具有决定性的优势:它着眼于最小处设计,而且不一定受自然生物学的限制。Tobias Erb解释说:“这个平台让我们能够实现自然界在进化过程中从未探索过的新解决方案。”

在他看来,这些结果对未来有很大的潜力。在他们发表在《科学》(Science)杂志上的文章中,作者们能够证明,在“人造叶绿体”上配备新型的酶和反应,可以使二氧化碳的结合速度比以前的合成—生物方法快100倍。

“从长远来看,类似生命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——而我们才刚刚开始这一激动人心的发展。”此外,这些结果是克服未来“大气二氧化碳浓度不断增加”这一巨大挑战的另一途径。

翻译:曾欣欣

审校:董子晨曦

引进来源:马克斯·普朗克学会

引进链接:https://phys.org/news/2020-05-artificial-chloroplast.html

 

本文来自:环球科学
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