生物固碳是地球碳循環(huán)過(guò)程的重要組成部分。自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多條天然生物固碳途徑，但自然途徑不僅能量利用效率低下，而且人工改造提升固碳效率難度大。隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，新的人工固碳途徑不斷涌現(xiàn)。相對(duì)于天然途徑，人工固碳途徑具有路線(xiàn)短、耗能少、原子經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，有望在不久的將來(lái)能夠替代天然固碳途徑，實(shí)現(xiàn)固碳效率的大幅提高，是解決人類(lèi)能源與環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。

2016年，德國(guó)馬克斯-普朗克研究所的Tobias J. Erb課題組在《Science》上報(bào)道了一種非天然的酶催化二氧化碳固定新途徑CETCH循環(huán)，它比自然界的開(kāi)爾文固碳循環(huán)效率更高。然而CETCH循環(huán)需要消耗昂貴的ATP和NADPH進(jìn)行供能，使它無(wú)法大規(guī)模使用。最近德國(guó)馬克斯-普朗克研究所的Tobias J. Erb課題組與法國(guó)波爾多大學(xué)的Jean-Christophe Baret合作在《Science》上發(fā)表了題為“Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts”的研究論文。文章中，通過(guò)液滴微流控技術(shù)將天然的葉綠體內(nèi)中類(lèi)囊體膜（thylakoid membrane）與CETCH固碳循環(huán)中的多種酶完美整合，構(gòu)建出了能夠利用光照作為能量源且效率超過(guò)自然的人造葉綠體（如下圖所示）。這種人造葉綠體能夠通過(guò)光合作用產(chǎn)生能量分子ATP與NADPH，并進(jìn)一步高效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化工原料羥基乙酸。

從菠菜葉綠體中提取類(lèi)囊體，并通過(guò)液滴微流控技術(shù)與CETCH循環(huán)的多種酶結(jié)合，制備人工葉綠體

首先從菠菜的葉綠體中分離出類(lèi)囊體膜，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了分離所得的類(lèi)囊體膜能夠在光照的條件下將NADP+還原為NADPH,且能夠?qū)DP轉(zhuǎn)化為ATP。類(lèi)囊體膜能夠?yàn)榘投辊；?輔酶A羧基酶/還原酶（crotonyl-coenzyme A (CoA) carboxylase/reductase (Ccr)）以及丙?；?輔酶A羧基酶（and propionyl-CoA carboxylase (Pcc)）等二氧化碳固定反應(yīng)所需的酶提供能量。在這基礎(chǔ)上，證實(shí)了類(lèi)囊體膜兼容夠?yàn)镃ETCH循環(huán)中所需的16種酶以及乙醛酸還原酶。值得一提的是CETCH循環(huán)中的酶來(lái)自于植物、動(dòng)物、微生物等多個(gè)物種，是目前人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)固碳途徑中反應(yīng)路徑最短、能耗最低的固碳循環(huán)。如下圖所示，類(lèi)囊體膜與CETCH循環(huán)實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)合。類(lèi)囊體膜在光照條件下可以產(chǎn)生NADPH與ATP, NADPH與ATP能夠?qū)ETCH循環(huán)進(jìn)行供能，CETCH循環(huán)將二氧化碳固定為乙醛酸，乙醛酸能夠被體系中的NADPH還原為工業(yè)原料羥基乙酸。

基于類(lèi)囊體膜的CETCH循環(huán)，能夠利用光照功能，固碳效率超過(guò)自然界的開(kāi)爾文循環(huán)
由于本體實(shí)驗(yàn)具有體積受限、自我遮蔽效應(yīng)、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控等限制，設(shè)計(jì)采用了液滴微流控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)模放大、高通量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等需求。如下圖所示，液滴微流控技術(shù)制備了油包水小液滴，類(lèi)囊體膜以及多種酶在小液滴內(nèi)，通過(guò)NADPH熒光來(lái)篩選出具有反應(yīng)活性的小液滴。通過(guò)對(duì)比本體組、液滴微流控組、以及無(wú)光照對(duì)照組發(fā)現(xiàn)，液滴微流控技術(shù)能夠顯著提高人工葉綠體的二氧化碳轉(zhuǎn)化效率。能夠在90分鐘時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生47±5微摩爾的羥基乙酸。

(A)液滴微流控技術(shù)制備人工葉綠體；（B）人工葉綠體工作循環(huán)；（C）本體、微流控液滴、黑暗條件下固碳效率對(duì)比
總而言之，這是一種將自然生物合成與人工生物合成技術(shù)完美整合的方法，制備的人工葉綠體具有超越自然光合作用的潛力。人工葉綠體具有獲取光能固化二氧化碳并得到工業(yè)原料的能力，將在人工生物合成器、甚至人工生命系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用。人工葉綠體的合成對(duì)于面對(duì)全球變暖、化石燃料可持續(xù)化等挑戰(zhàn)具有重要意義，是人工合成生物學(xué)領(lǐng)域中里程碑式的工作。

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