科学家利用人造叶绿体开创出一种治理二氧化碳的新方法，研究人员已经发明了一种新的人工叶绿体，即改变植物细胞内部的光合结构，利用阳光和实验室设计的化学途径把CO2转变成糖( CH2O)n。
人工光合作用可以用来驱动小型、无生命的太阳能工厂生产治疗药物。由于新的化学途径比自然界进化的任何物质都更有效，研究小组希望有一天类似的过程能够帮助地球降低二氧化碳，减轻温室效应。从全球治理范围来看，这个方法还不清楚是否能变成一个大规模的、在经济上可行的操作，该成果发表在5月7日《科学》杂志上。
研究人员利用太阳能或化学能源的酶将CO2转化为六条固定的C—O化学键，这是自然转化的糖分子结构。2016年，德国马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所合成生物学家TobiasErb和他的同事就展开了此项研究。“我们只是用热力学和动力学的来考虑是否可以重新把CO2降低，使这种方式更有效率”Erb说。他们将该途径命名为CETCH循环：这个复杂的人工酶网络，可比利用天然光合作用的途径高出20%的能量效率。
但目前尚不清楚CETCH周期是否与活细胞的其他机制兼容。为了探索这种可能性，Erb的同事Tarryn Miller转向菠菜。她从叶绿体(所有植物共有的光合细胞器)中提取捕光膜，并将它们与CETCH周期的16种酶一起放置在一个反应容器中。经过一些调整后，Erb，Miller和他们的团队，惊喜地发现他们可以使菠菜膜和CETCH循环酶一起工作。
他们有效地创造了一种人造叶绿体，菠菜叶绿体膜利用阳光在合成的CETCH循环酶过程中能够分解CO2，酶又把CO2变成一种叫做乙醇酸的分子，可用于制造有用的有机产品原料。
“这是一个深刻的发现，”保罗·金(PaulKing)说，他是科罗拉多州黄金国家可再生能源实验室的物理生物化学家，他没有参与这项研究。
作者说，虽然这只是一个原则的证明，但我们已经有可能想到人工叶绿体可以发挥更大作用的方法。由于合成生物学的进步，微生物现在可以被设计成生产有价值的东西，比如药物等。但是在活细胞内合成的东西是有限度的，Erb说，人造叶绿体可以为非活的微型设备提供动力，以产生活细胞无法产生的分子，再利用这些分子来获取循环能量，它们可以自主无限循环运行下去。
明尼苏达州大学明尼阿波利斯分校的合成生物学家凯特·阿达马拉(KateAdamala)说，他们的发现可能比微生物更有效率。她说：“自然细胞花费大量的精力维持生命，而合成的(系统)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全部“新陈代谢”可以集中在生产有价值的化学物质上。Adamala说，甚至可以想象人造叶绿体在治理大气污染中起着巨大的作用。
细胞芯片但是，在这些应用程序成为现实之前，还有一些问题要解决。例如，人工叶绿体中的菠菜膜在开始降解前仅作用了几个小时，限制了系统的工作寿命。从菠菜细胞中提取膜的效率很低。“使用叶绿体提取物并不是最聪明的事情，”Erb说。正因为如此，他的团队还在开发人工系统来取代菠菜膜。
使用人工叶绿体建造完全合成生物体的可能性也很诱人，这些细胞是从生命的基本生物构件中组装而成的，但同样也存在着许多挑战。
东京理工学院的合成生物学家Yutetsu Kuruma说：“我们也许可以将叶绿体模拟物用作人工细胞的能量生产系统。”但为了做到这一点，他说，人工叶绿体能够像自然叶绿体一样，具有自我修复和自我繁殖的能力，这将是一个颠覆时代的发明，目前科学技术还无法实现。
但这并没有阻止Erb和他的同事开始对合成细胞进行实验，该小组已开始与位于加利福尼亚州拉霍拉的J.Craig Venter研究所的研究人员合作，世卫组织在2016年建立了包含生命基因数量最少的微小合成细胞计划，将CETCH周期放入“最小”细胞内，在制造合成生命的技术中迈出了一小步，它可以通过消化其他物质来养活自己。
“自然可能是非常保守的，它从来没有探索所有利用光合作用的方法，”Erb说。“这就是让我们兴奋的地方：我们可以发明出超越自然界的解决方案。”
如果合成生命技术成熟，我们可以进一步合成我们需要的物质，在合成材料和智能机器人制造方面将会产生飞跃式的发展，它的魔力就在于可以通过吃其他物质或阳光自动生产有价值的原料、自动维持运转所需的能量，还能自我复制和修复。未来像电脑、手机等电子产品都会使用这种具有自我修复的材料，还能利用阳光生产出所需的东西。对航空航天、宇宙探索都具有深远的应用意义。