钛媒体APP《科学》杂志：人造“叶绿体”，理论上可将CO2转化为任何需要的有机物
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【钛媒体APP《科学》杂志：人造“叶绿体”，理论上可将CO2转化为任何需要的有机物】图片来源@全景视觉
文丨学术头条
光合作用广泛存在于自然界 。 叶绿体通过收集太阳光能 ， 将水和二氧化碳转化为有机物（首先是葡萄糖） ， 并释放出氧气 。 这不仅是我们人类和其他地球生物赖以生存的基础 ， 也是地球碳氧平衡的重要媒介 。
然而随着全球工业化的脚步 ， 温室气体尤其是 CO2 排放不断增加 ， 这一平衡被逐渐打破 ， 全球平均气温不断升高 ， 导致我们的生存环境也日益严峻 。
面对碳排放的不断增加 ， 科学家们一直想研发出一种可持续性的解决方案 。
近日 ， 来自德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的Tobias J. Erb教授以及来自法国波尔多大学的Jean-Christophe Baret教授合作 ， 成功开发了一种自动化人造叶绿体组装平台 ， 这一平台可以根据人们的需求制造出不同的人造叶绿体 ， 不仅可以吸收空气中的CO2 ， 而且理论上还可以根据人们的需求合成各种不同的有机物 ， 例如药物 ， 燃料等 。
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这一研究成果近日发表在全球顶级期刊《科学》杂志上 。
人工光合作用：当今时代的“阿波罗计划”
在过去的200年内 ， 人们对光合作用的认识不断加深 。 1915年诺贝尔奖获得者威尔施泰特首次从绿色植物的叶片中分离纯化出了叶绿素 ， 并阐述了它的化学组成 ， 为人们从分子水平上认识光合作用奠定了基础 。 此后的1961年、1988年、1997年诺贝尔化学奖 ， 也都颁发给了关于光合作用的研究成果 。
目前 ， 我们已经知道 ， 绿色植物光合作用发生在植物细胞中的叶绿体 ， 具体分为两个阶段：光反应阶段与暗反阶段 。
其中 ， 光反应发生在叶绿体的类囊体膜结构 ， 利用二氧化碳与水在光照条件下为暗反应提供必需物质；暗反应则发生在叶绿体基质中 ， 利用光反应产物即可生成葡萄糖 ， 完成了碳的固定 ， 用以供给生命 ， 即将无机物转变成了有机物 。
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虽然植物光合作用对于全球碳氧平衡的维持至关重要 ， 但是 ， 想要对植物光合作用进行人为干预 ， 从操作难度和成本上考虑也不现实 。
因此 ， 许多科学家想通过人工合成叶绿体 ， 来实现更好的利用太阳能来捕获环境中的CO2 ， 并将其转化为有机分子 ， 例如燃料、药物等 。 合成光合作用的人工替代品 ， 也被称为当今时代的“阿波罗计划” 。
其实 ， 科学家们早已实现了人工叶绿体的合成 ， 能够分解水并固定二氧化碳 ， 因此人工叶绿体的生物合成早已不是什么科学难题 。 然而 ， 如何重现植物叶绿体的复杂性和光合效率 ， 尤其是既可以收集光能 ， 又可以利用光能合成人们所需要的有机物 ， 一直是摆在科学家面前的难题 。
可以任意改造的人工叶绿体
Erb教授长期致力于人工叶绿体的应用研究 。 早在2016年 ， Erb就在自己位于德国马尔堡马克斯·普朗克陆地生物学研究所的实验室开发了一种人工碳固定方案 。 该方案称为Cetch循环 ， 可以通过一系列自然和工程化酶（包括巴豆酰CoA /乙基丙二酰CoA/羟基丁酰 CoA）将二氧化碳转化为有机分子 ， 并且这一方案比天然植物固定碳的效率更高 。
当然 ， 仅仅实现CO2的固定和光能的利用并不能满足Erb教授的“野心” 。
为了实现人造叶绿体的量产 ， 同时也为了让这些人造叶绿体能按照人类的需求和成有机物 ， Erb 教授又在人工叶绿体的基础上进行了两项创新 。
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