有一種吃二氧化碳的新方法。研究人員已經(jīng)建立了人工合成的葉綠體，即植物細(xì)胞內(nèi)部的光合作用結(jié)構(gòu)。它利用陽(yáng)光和實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的化學(xué)途徑將CO2轉(zhuǎn)化為糖。

人工光合作用可用于驅(qū)動(dòng)小型無(wú)生命的太陽(yáng)能工廠，這些工廠生產(chǎn)出治療藥物。而且由于新的化學(xué)途徑比自然界發(fā)展的任何事物都更有效，因此研究小組希望有一天類(lèi)似的過(guò)程甚至可以幫助從大氣中去除CO2，盡管目前尚不清楚能否將其轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的CO2。 ，經(jīng)濟(jì)上可行的操作。該研究成果于1月5日在《科學(xué)》上發(fā)表。

大自然已經(jīng)發(fā)展了六種“固定” CO2的途徑，也就是利用利用太陽(yáng)能或化學(xué)能的酶將其轉(zhuǎn)化為糖。2016年，德國(guó)馬堡馬克斯·普朗克陸地微生物研究所的合成生物學(xué)家托比亞斯·埃爾布(Tobias Erb)和他的同事們?cè)O(shè)計(jì)了第七套2。“我們只是出于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的考慮，問(wèn)我們是否可以重新考慮將CO2固定并提高效率，” Erb說(shuō)。他們將通路稱為CETCH循環(huán)-一種復(fù)雜的酶網(wǎng)絡(luò)，其能量效率比自然光合作用的通路高20%。

但是尚不清楚CETCH循環(huán)是否與活細(xì)胞的其他機(jī)械兼容。為了探索這種可能性，Erb的同事Tarryn Miller轉(zhuǎn)向了菠菜。她從葉綠體(所有植物共有的光合作用細(xì)胞器)中提取了采光膜，并將其與CETCH循環(huán)中的16種酶一起置于反應(yīng)容器中。進(jìn)行一些調(diào)整后，Erb，Miller及其合作者發(fā)現(xiàn)，他們可以使菠菜膜和CETCH循環(huán)酶一起發(fā)揮作用。

他們有效地創(chuàng)造了一種人造葉綠體，其中菠菜的葉綠體膜在合成的CETCH循環(huán)酶利用該能分解CO2之前就收集了太陽(yáng)能。這些酶將CO2轉(zhuǎn)化為一種稱為乙醇酸酯的分子，可用作制造有用的有機(jī)產(chǎn)品的原料。

“這是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，”未參與這項(xiàng)研究的科羅拉多州國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的物理生化學(xué)家保羅·金說(shuō)。

這組作者說(shuō)，盡管這只是原理上的證明，但已經(jīng)有可能思考將人造葉綠體發(fā)揮作用的方式。由于合成生物學(xué)的進(jìn)步，現(xiàn)在可以對(duì)微生物進(jìn)行改造，以生產(chǎn)出有用的分子，例如藥物。但是活細(xì)胞內(nèi)部可以合成的物質(zhì)有限。厄爾布說(shuō)，人造葉綠體可以為無(wú)生命的微型反應(yīng)器提供動(dòng)力，從而產(chǎn)生活細(xì)胞無(wú)法產(chǎn)生的分子。

明尼阿波利斯明尼蘇達(dá)大學(xué)的合成生物學(xué)家凱特·阿達(dá)瑪拉(Kate Adamala)說(shuō)，它們可能比微生物更有效。她說(shuō)：“天然細(xì)胞需要大量能量才能維持生命，而合成的[系統(tǒng)]則不需要生長(zhǎng)，繁殖或維持任何類(lèi)似生命的功能。”這意味著合成系統(tǒng)的整個(gè)“代謝”都可以集中在生產(chǎn)有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)上。阿達(dá)瑪拉說(shuō)，甚至有可能想象人造葉綠體在隔離大氣中的CO2中起作用。

但是在這些應(yīng)用程序變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)之前，還需要解決一些問(wèn)題。例如，人造葉綠體中的菠菜膜在開(kāi)始降解之前僅運(yùn)轉(zhuǎn)了幾個(gè)小時(shí)，從而限制了系統(tǒng)的使用壽命。生長(zhǎng)菠菜并從其細(xì)胞中提取膜比較耗時(shí)。Erb說(shuō)：“使用葉綠體提取物并不是最明智的選擇。”因此，他的團(tuán)隊(duì)還在開(kāi)發(fā)人造系統(tǒng)來(lái)替代菠菜膜。