光合作用是指綠色植物（包括藻類）利用光能，把二氧化碳和水合成有機物，并釋放氧氣的過程。光合作用是地球上最重要的化學反應，對維持大氣的碳-氧平衡具有重要意義，同時也為地球上的生命直接或間接地提供了生存需要的物質(zhì)和能量。

人工光合作用(Artificial Photosynthesis)是模仿植物光合作用實現(xiàn)對太陽能的轉(zhuǎn)化、存儲和利用。目前正在利用的風能和太陽能是重要的清潔能源，但它們重要的缺點是能量密度不夠，并且這些可再生能源不夠穩(wěn)定，需要大量專業(yè)蓄電設備，而人工光合系統(tǒng)可以直接用有機物來儲存能量，可以克服這些問題。因此，人工光合被認為是應對全球能源挑戰(zhàn)的重要途徑。

經(jīng)過200多年的研究，光合作用過程和相關機理已經(jīng)非常清晰。近年來，得益于科技技術的進步，人工光合作用發(fā)展迅速，重要研究成果不斷涌現(xiàn)。從2003年美國啟動“太陽神計劃”，用半導體制成光化學二極管加上不同的催化劑，實現(xiàn)太陽能的吸收，把二氧化碳和水變成我們需要的化合物，到2014年第一個人工光合作用集成系統(tǒng)誕生，再到近幾年的光合酶與人工合成的納米材料結(jié)合實現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)化，都為人工光合系統(tǒng)的構(gòu)建和利用奠定了重要基礎。

綠色植物的葉綠體是發(fā)生光反應和暗反應的重要場所。光反應將光能轉(zhuǎn)化為化學能，產(chǎn)生了兩種重要的能量載體，即三磷酸腺苷和還原態(tài)磷酸二核苷酸煙酰胺(NADPH)。而暗反應則利用這兩種高能分子驅(qū)動CO2分子的捕獲，進而合成生物質(zhì)分子?？傊?，葉綠體既是光能轉(zhuǎn)化為化學能的場所，又是CO2固定及轉(zhuǎn)化的場所。這種一體化的結(jié)構(gòu)，值得人工光合作用領域的研究者們模仿和借鑒。

近日，德國馬克斯-普朗克陸地微生物研究所的Tobias J. Erb和法國波爾多大學的Jean-Christophe Baret（共同通訊作者）等利用微流體體系模擬植物的葉綠體，即利用菠菜的類囊體薄膜實現(xiàn)光反應，并驅(qū)動合成酶循環(huán)過程，在細胞尺寸的油包水液滴中實現(xiàn)了CO2固定和光合成反應。

這些與葉綠體相仿的液滴在較小的空間內(nèi)把天然組分和合成組分結(jié)合起來，通過進一步功能化，能夠為復雜的生物合成反應提供場所。

在光照下，液滴中的酶或酶級聯(lián)放大系統(tǒng)被光能轉(zhuǎn)化得到的化學能所驅(qū)動。研究者從多個方面實時研究了該過程的催化性能。

通過NADPH熒光實時監(jiān)測新陳代謝的反應活性，該研究發(fā)現(xiàn)：通過改變微流體液滴的成分，能調(diào)控其在光合成反應中的性質(zhì)。此外，光照也是一種重要的外界因變量。

該工作通過構(gòu)筑巴豆酰基-輔酶A (CoA)/乙基丙二酰-CoA/羥基丁酸酰基-CoA (CETCH)的循環(huán)，充分證明將天然組分和人造組分結(jié)合起來形成類似于葉綠體的復合物，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的捕獲和轉(zhuǎn)化，使碳循環(huán)的整合向前邁進了重要的一步。

該工作以“Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts”為標題于2020年5月8日發(fā)表在國際頂刊Science上。

圖1. 光催化輔酶產(chǎn)生

圖2.光驅(qū)動CO2的連續(xù)固定，并催化CO2轉(zhuǎn)化為有機酸

圖3. 光驅(qū)動微流體液滴中的酶反應

圖4. 用版本為7.0的CETCH監(jiān)測光驅(qū)動CO2的連續(xù)固定并轉(zhuǎn)化為有機酸的過程

原文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649