人造“叶绿体”来了!理论上可将CO2转化为任何我们需要的有机物

时间:2023-01-26 05:30 作者:金年会官网
本文摘要:【导读】光互助用是地球上最重要的化学反映,对维持大气的碳-氧平衡具有重要意义,同时也为地球上的生命直接或间接地提供了生存需要的物质和能量。2020 年 5 月 8 日,德国马普所和法国波尔多大学的研究人员在 Science 揭晓重磅结果:研究团队开发的自动化人造叶绿体组装平台,可以凭据人们的需求制造出差别的人造叶绿体,不仅可以吸收空气中的 CO2,而且理论上还可以凭据人们的需求合成种种差别的有机物,例如药物、燃料等。 光互助用广泛存在于自然界。

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【导读】光互助用是地球上最重要的化学反映,对维持大气的碳-氧平衡具有重要意义,同时也为地球上的生命直接或间接地提供了生存需要的物质和能量。2020 年 5 月 8 日,德国马普所和法国波尔多大学的研究人员在 Science 揭晓重磅结果:研究团队开发的自动化人造叶绿体组装平台,可以凭据人们的需求制造出差别的人造叶绿体,不仅可以吸收空气中的 CO2,而且理论上还可以凭据人们的需求合成种种差别的有机物,例如药物、燃料等。

光互助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前言。

然而随着全球工业化的脚步,温室气体尤其是 CO2 排放不停增加,这一平衡被逐渐打破,全球平均气温不停升高,导致我们的生存情况也日益严峻。面临碳排放的不停增加,科学家们一直想研发出一种可连续性的解决方案。克日,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 教授互助,乐成开发了一种自动化人造叶绿体组装平台,这一平台可以凭据人们的需求制造出差别的人造叶绿体,不仅可以吸收空气中的 CO2,而且理论上还可以凭据人们的需求合成种种差别的有机物,例如药物,燃料等。这一研究结果克日揭晓在全球顶级期刊《科学》杂志上。

人工光互助用:当今时代的“阿波罗计划”在已往的 200 年内,人们对光互助用的认识不停加深。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散纯化出了叶绿素,并论述了它的化学组成,为人们从分子水平上认识光互助用奠基了基础。今后的 1961 年、1988 年、1997 年诺贝尔化学奖,也都发表给了关于光互助用的研究结果。

现在,我们已经知道,绿色植物光互助用发生在植物细胞中的叶绿体,详细分为两个阶段:光反映阶段与暗反阶段。其中,光反映发生在叶绿体的类囊体膜结构,使用二氧化碳与水在光照条件下为暗反映提供必须物质;暗反映则发生在叶绿体基质中,使用光反映产物即可生成葡萄糖,完成了碳的牢固,用以供应生命,即将无机物转酿成了有机物。

虽然植物光互助用对于全球碳氧平衡的维持至关重要,可是,想要对植物光互助用举行人为干预,从操作难度和成本上思量也不现实。因此,许多科学家想通过人工合成叶绿体,来实现更好的使用太阳能来捕捉情况中的 CO2,并将其转化为有机分子,例如燃料、药物等。合成光互助用的人工替代品,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,能够剖析水并牢固二氧化碳,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庞大性和光合效率,尤其是既可以收集光能,又可以使用光能合成人们所需要的有机物,一直是摆在科学家眼前的难题。可以任意革新的人工叶绿体Erb 教授恒久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牢固方案。

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该方案称为 Cetch 循环,可以通过一系列自然和工程化酶(包罗巴豆酰 CoA /乙基丙二酰 CoA /羟基丁酰 CoA)将二氧化碳转化为有机分子,而且这一方案比天然植物牢固碳的效率更高。固然,仅仅实现 CO2 的牢固和光能的使用并不能满足 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根据人类的需求和成有机物,Erb 教授又在人工叶绿体的基础上举行了两项创新。一是合成生物学与纳米微流控技术联合,将从菠菜中提取的叶绿体膜和 2016 年研发的 Cetch 循环耦合,合成了细胞巨细的液滴,这些液滴可以作为叶绿体吸收太阳能并牢固 CO2。二是自主研发了人工叶绿体组装平台,不仅可以实现自动化生产人工叶绿体,还能凭据人们的需求通过添加差别的酶从而制备差别功效的人工叶绿体。

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通过光便可以控制这些人工叶绿体合成差别的物质。每个细胞巨细的液滴充当一个合成的叶绿体,在显微镜图像中可见的类囊体膜使用光来发生 NADPH 和 ATP,它们为牢固二氧化碳的酶反映级联提供能量在该系统中,太阳能被菠菜叶绿体的膜吸收转化,然后提供应 Cetch 循环中的酶举行一系列反映,从而将空气中的 CO2 吸收,转化有机物。而我们只需要对人工叶绿体中的酶做出调整,便可以使其合成差别功效的有机物。对此,Erb 教授表现,“据我所知,这是人类首次在人工叶绿体内将 CO2 转化为多碳化合物。

全新的组装平台使我们能够生产成百上千个细胞巨细的人造叶绿体,它们可以相互独立的运行,我们任意革新这些人工叶绿体,从而满足差别的需求,以适应未来差别生物技术的应用。”此外研究人员还能证明,这一新型平台合成的人工叶绿体吸收 CO2 的速度比之前合成生物学的方法快了 100 倍。因此,Erb 教授还认为这一效果未来险些可以应用于所有领域,包罗质料科学,生物技术以及医学。

不外现在这一人工叶绿体并不完美,在实验历程中,它们仅在 2 小时内有活性。但 Erb 教授认为这并不是什么问题,他表现“我们已经多次证明可以通过添加一些特殊的卵白质和酶来维持这个系统的稳定,所以这只是一个需要优化的问题。”参考资料:https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649https://www.inverse.com/innovation/artificial-photosynthesishttps://www.mpg.de/14786713/0506-terr-138345-fotosynthese-im-tropfen?c=2191https://www.chemistryworld.com/news/artificial-chloroplasts-turn-co2-into-multicarbon-molecules-powered-only-by-light/4011694.article。


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