2020 年世界十大科技進展新聞

人造葉綠體研制成功

   德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所和法國波爾多大學的研究人員2020年5月8日在《科學》上發文，他們通過將菠菜的“捕光器”與9種不同生物體的酶結合起來，制造了人造葉綠體。這種葉綠體可在細胞外工作、收集陽光，并利用由此產生的能量將二氧化碳轉化成富含能量的分子。

   光合作用過程分兩步。首先，在葉綠體中，葉綠素吸收太陽光，并將多余的能量傳遞給分子伴侶，分子伴侶利用這些能量產生儲存能量的化學物質三磷酸腺苷（ATP）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）。一系列其他酶在復雜的循環中，利用ATP和NADPH將空氣中的二氧化碳轉化為葡萄糖和其他富含能量的有機分子，供植物生長使用。

   二氧化碳轉化始于一種叫做RuBisCO的酶，它促使二氧化碳與一種關鍵的有機化合物發生反應，從而開啟植物產生重要代謝物所需的一系列反應。

   2016年，德國馬普學會地球微生物學研究所合成生物學家Tobias Erb及其同事試圖通過設計一套新的化學反應為光合作用加速。他們用一種細菌酶取代了RuBisCO，這種細菌酶同樣能夠捕捉二氧化碳，并使反應速度加快10倍。同時，結合來自9種不同生物體的16種其他酶，研究人員創造了一個二氧化碳到有機化合物的新的化學循環，稱之為CETCH循環。

   為了讓整個過程能在陽光下運行，Erb和同事從菠菜葉細胞中提取類囊體膜（已有研究證明類囊體膜可在植物細胞外工作），并將能夠捕光的類囊體與CETCH循環系統配對組合，從而可以利用光不斷地將二氧化碳轉化為有機代謝物羥基乙酸。

   為了將捕光類囊體與CETCH循環有效結合，Erb團隊與法國保羅·帕斯卡研究中心微流體學家Jean-Christophe Baret團隊合作，設計了一種裝置，可以在油中產生數千個微小液滴，并向每個液滴中注入不同數量的類囊體膜組件和CETCH循環酶。這使得研究人員能從中比較、找出生產羥基乙酸最高效的配方。

   Erb和同事希望進一步修改配方，以生產其他有機化合物，甚至比羥基乙酸更有價值的分子。他們還希望將捕獲的二氧化碳更高效地轉化為植物生長所需的有機化合物。■