人工叶绿体转化CO₂变成多碳分子，只靠光提供能量

德国和法国的研究人员创造了人工叶绿体，利用光通过自然界中没有的途径驱动二氧化碳固定。这种方法可用于从环境中捕获二氧化碳，并将其转化为有用的分子，如燃料和药物。

工程材料而且酶利用阳光来模拟单个的光合作用过程——比如水分解和二氧化碳固定——并不是什么新鲜事。然而，重现植物细胞叶绿体的复杂性和效率——叶绿体既可以收集光能，又可以利用它进行多步合成——提出了一个更大的挑战。

在2016年,托拜厄斯Erb位于德国马尔堡的马克斯·普朗克陆地生物研究所(Max Planck Institute for Terrestrial Biology)的实验室开发了一种人工碳固定途径。这种循环被称为Cetch (crotonylCoA/乙基丙二酰辅酶a /羟丁基辅酶a)，它使用一系列天然和工程酶将二氧化碳转化为有机分子，甚至比植物中的固碳循环更有效。¹现在，和约翰•Baret埃尔布的团队使用微流体将Cetch循环与叶绿体的光能收集源耦合，产生细胞大小的液滴，充当合成叶绿体的角色。²

Erb说:“我们的工作首次表明，你可以在微观尺度上从单个部件和模块中实现替代的、自主的光合系统，使我们能够构建自然界尚未探索的‘替代’生物解决方案。”“据我们所知，这是第一次连续、多步骤地将二氧化碳转化为碳化合物。”

而Cetch酶进行CO₂还原化学，反应的能源是从菠菜植物中借来的。研究人员从菠菜叶绿体中分离出类囊体膜——这种结构将光转化为富含能量的化合物，包括三磷酸腺苷。然后，研究小组使用微流体将这些膜与Cetch酶一起封装在油包水微滴中。每个细胞大小的液滴都能进行转化CO的所有必要反应₂变成乙醇酸，光驱动

“封装使我们能够产生数百到数千个细胞大小的隔间，这些隔间可以彼此独立运作，”Erb解释道。“这为催化活性微反应隔间(或“人工细胞”)的标准化大规模生产开辟了道路，未来将用于不同的生物技术应用。”

虽然先前已经证明Cetch比自然光合作用更有效，但当与人工叶绿体结合时，它就不那么有效了。Erb说，进一步的优化应该会改善这一点。

“将叶绿体膜包裹在微小液滴中以驱动二氧化碳的结合是一个真正戏剧性的进步，”评论道Hagan Bayley他在英国牛津大学研究合成生物学。“然而，以成本有效的方式扩大规模，例如高价值药物的合成，可能需要将整个体外系统移植到主要细胞中，这是作者认识到的一个相当大的挑战。”