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人造叶绿体研制成功 可将阳光和二氧化碳转化为有机化合物
来源:中国科学报 发布时间:2020-05-13

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在这些90微米的液滴中,叶绿体中的类囊体利用阳光将二氧化碳转化为有机化合物。图片来源:T. MILLER

  就像机械师把旧引擎部件拼凑起来制造一辆新跑车一样,合成生物学家重塑了叶绿体,后者是光合作用的核心“引擎”。科学家日前在《科学》上报告说,他们通过将菠菜的“捕光器”与9种不同生物体的酶结合起来,制造了人造叶绿体。这种叶绿体可在细胞外工作、收集阳光,并利用由此产生的能量将二氧化碳转化成富含能量的分子。

  研究人员希望他们制造的加强版光合作用系统,最终能将二氧化碳直接转化成有用的化学物质,或者使转基因植物吸收大气中二氧化碳的量达到普通植物的10倍。

  光合作用过程分两步。首先,在叶绿体中,叶绿素吸收太阳光,并将多余的能量传递给分子伴侣,分子伴侣利用这些能量产生储存能量的化学物质三磷酸腺苷(ATP)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)。一系列其他酶在复杂的循环中,利用ATP和NADPH将空气中的二氧化碳转化为葡萄糖和其他富含能量的有机分子,供植物生长使用。

  二氧化碳转化始于一种叫做RuBisCO的酶,它促使二氧化碳与一种关键的有机化合物发生反应,从而开启植物产生重要代谢物所需的一系列反应。

  德国马普学会地球微生物学研究所合成生物学家Tobias Erb说,即便像光合作用这样有效率的反应也存在问题。比如,RuBisCO含量超低。这种酶的每一个拷贝每秒只能捕获和使用5到10个二氧化碳分子,这就限制了植物的生长速度。

  2016年,Erb和他的同事试图通过设计一套新的化学反应为光合作用加速。他们用一种细菌酶取代了RuBisCO,这种细菌酶同样能够捕捉二氧化碳,并使反应速度加快10倍。同时,结合来自9种不同生物体的16种其他酶,研究人员创造了一个二氧化碳到有机化合物的新的化学循环,称之为CETCH循环。

  但是为了让整个过程能够在阳光下运行,Erb和同事首先研究了类囊体膜,它是叶绿体中含有叶绿素和其他光合作用酶的囊状组件。此前研究已经证明,类囊体膜可以在植物细胞外工作。因此Erb和同事从菠菜叶细胞中提取类囊体膜,并将能够捕光的类囊体与CETCH循环系统配对组合,从而可以利用光不断地将二氧化碳转化为有机代谢物羟基乙酸。

  为了将捕光类囊体与CETCH循环有效结合,Erb团队与法国保罗·帕斯卡研究中心微流体学家Jean-Christophe Baret团队合作,设计了一种装置,可以在油中产生数千个微小液滴,并向每个液滴中注入不同数量的类囊体膜组件和CETCH循环酶。这使得研究人员能够从中比较、找出生产羟基乙酸最高效的配方。

  Erb说,他和同事希望进一步修改配方,以生产其他有机化合物,甚至比羟基乙酸更有价值的分子。他们还希望将捕获的二氧化碳更高效地转化为植物生长所需的有机化合物。这种新的光合作用将为转基因作物打开新大门,创造出比现有品种生长速度更快的新品种。在世界人口激增的背景下,这对农业发展是一个福音。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aah5237


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