生物膜和人工化学的结合可以为未来的合成生物提供动力

有一种吃二氧化碳的新方法。研究人员已经建立了人工合成的叶绿体，即植物细胞内部的光合作用结构。它利用阳光和实验室设计的化学途径将CO2转化为糖。

人工光合作用可用于驱动小型无生命的太阳能工厂，这些工厂生产出治疗药物。而且由于新的化学途径比自然界发展的任何事物都更有效，因此研究小组希望有一天类似的过程甚至可以帮助从大气中去除CO2，尽管目前尚不清楚能否将其转化为大规模的CO2。 ，经济上可行的操作。该研究成果于1月5日在《科学》上发表。

大自然已经发展了六种“固定” CO2的途径，也就是利用利用太阳能或化学能的酶将其转化为糖。2016年，德国马堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所的合成生物学家托比亚斯·埃尔布(Tobias Erb)和他的同事们设计了第七套2。“我们只是出于热力学和动力学方面的考虑，问我们是否可以重新考虑将CO2固定并提高效率，” Erb说。他们将通路称为CETCH循环-一种复杂的酶网络，其能量效率比自然光合作用的通路高20%。

但是尚不清楚CETCH循环是否与活细胞的其他机械兼容。为了探索这种可能性，Erb的同事Tarryn Miller转向了菠菜。她从叶绿体(所有植物共有的光合作用细胞器)中提取了采光膜，并将其与CETCH循环中的16种酶一起置于反应容器中。进行一些调整后，Erb，Miller及其合作者发现，他们可以使菠菜膜和CETCH循环酶一起发挥作用。

他们有效地创造了一种人造叶绿体，其中菠菜的叶绿体膜在合成的CETCH循环酶利用该能分解CO2之前就收集了太阳能。这些酶将CO2转化为一种称为乙醇酸酯的分子，可用作制造有用的有机产品的原料。

“这是一个重大发现，”未参与这项研究的科罗拉多州国家可再生能源实验室的物理生化学家保罗·金说。

这组作者说，尽管这只是原理上的证明，但已经有可能思考将人造叶绿体发挥作用的方式。由于合成生物学的进步，现在可以对微生物进行改造，以生产出有用的分子，例如药物。但是活细胞内部可以合成的物质有限。厄尔布说，人造叶绿体可以为无生命的微型反应器提供动力，从而产生活细胞无法产生的分子。

明尼阿波利斯明尼苏达大学的合成生物学家凯特·阿达玛拉(Kate Adamala)说，它们可能比微生物更有效。她说：“天然细胞需要大量能量才能维持生命，而合成的[系统]则不需要生长，繁殖或维持任何类似生命的功能。”这意味着合成系统的整个“代谢”都可以集中在生产有价值的化学物质上。阿达玛拉说，甚至有可能想象人造叶绿体在隔离大气中的CO2中起作用。

但是在这些应用程序变为现实之前，还需要解决一些问题。例如，人造叶绿体中的菠菜膜在开始降解之前仅运转了几个小时，从而限制了系统的使用寿命。生长菠菜并从其细胞中提取膜比较耗时。Erb说：“使用叶绿体提取物并不是最明智的选择。”因此，他的团队还在开发人造系统来替代菠菜膜。

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