Science！人造“叶绿体”实现二氧化碳固定，人工光合作用再获重要进展！

光合作用是指绿色植物（包括藻类）利用光能，把二氧化碳和水合成有机物，并释放氧气的过程。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。

人工光合作用 (Artificial Photosynthesis) 是模仿植物光合作用实现对太阳能的转化、存储和利用。目前正在利用的风能和太阳能是重要的清洁能源，但它们重要的缺点是能量密度不够，并且这些可再生能源不够稳定，需要大量专业蓄电设备，而人工光合系统可以直接用有机物来储存能量，可以克服这些问题。因此，人工光合被认为是应对全球能源挑战的重要途径。

经过200多年的研究，光合作用过程和相关机理已经非常清晰。近年来，得益于科技技术的进步，人工光合作用发展迅速，重要研究成果不断涌现。从2003年美国启动“太阳神计划”，用半导体制成光化学二极管加上不同的催化剂，实现太阳能的吸收，把二氧化碳和水变成我们需要的化合物，到2014年第一个人工光合作用集成系统诞生，再到近几年的光合酶与人工合成的纳米材料结合实现太阳能的转化，都为人工光合系统的构建和利用奠定了重要基础。

叶绿体光合作用的主要场所。光反应和暗反应两个阶段都在叶绿体进行，实现光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等关键生化步骤。来自德国马普所和法国波尔多大学的研究团队在Science发表了题为Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts的论文，报道了一半天然，一半合成的人造“叶绿体”，并利用光和该系统实现了CO2的固定。

该研究从菠菜（Spinacia oleracea）中分离类囊体膜，并将其与16种酶一起包裹在油包水液滴中，其中包含巴豆酰辅酶A (crotonyl-coenzyme A, CoA)/乙基丙二酰-CoA /羟基丁酰-CoA (ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA, CETCH) 途径。CETCH途径用于CO2固定的连续循环，旨在补充在体外模型中使用的六种天然存在的碳固定途径。

半合成光合作用的技术途径

该系统利用光能把CO2转化成乙醇酸，同时还将二磷酸腺苷（ADP）磷酸化为ATP，从而成功地重建了重要的光合植物合成代谢途径。光照后，该系统中ATP增加，NADPH减少，并且生成了乙醇酸，证明了该系统的有效性。

利用CETCH（version 7.0） 实现连续的CO2 固定

为了将该系统推向应用，研究进行批量生产的方法，研究人员进一步利用微流体技术以自动化的方式创建了成千上万的油包水液滴。使用这种按比例放大的液滴生产方法，研究者设计了对反应条件的精确控制，并通过对NADPH荧光成像对反应进程进行了可视化处理。这标志着迈向合成植物细胞发展的非常重要的一步。

总之，该项研究中的人造“叶绿体”具有光合作用的基本特征，即利用光能把无机碳生成有机物，是合成生物学领域的一项重要进展，也是一项构建自养合成细胞的关键工作。同时，人工利用光能把CO2固定为多碳化合物也为许多其它领域的技术应用奠定了基础，例如，人造生物反应器中的小分子或药物合成，以及人造生物系统的开发。