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2020-06-05 18:00
吃的是阳光吐的是糖,这是什么神仙菠菜?

本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Colin Barras,题图来自:视觉中国


吃二氧化碳的方式再添新招。叶绿体(chloroplast)是植物细胞内进行光合作用的结构,现在研究人员创造出了一种人造叶绿体,可以利用阳光和实验室设计的化学通路将CO2变成糖


人造光合作用可以用来驱动非生物微型太阳能工厂,生产大量药物。此外,由于这种新的化学通路比自然演化的任何途径都更高效,研究团队希望类似的过程将来能用来清除大气中的CO2。不过,尚不清楚这种操作是否可以实现经济上可行的规模化。这项研究发表在5月7日的《科学》上[1]


大自然演化出了六种“固定”(fixing)CO2的途径。所谓固定,就是利用能捕获太阳能或化学能的酶,把CO2变成糖。2016年,马克斯·普朗克陆地微生物研究所的合成生物学家Tobias Erb和他的同事设计出了第七种途径[2]


Erb说:“我们只是单纯地从热力学和动力学的角度重新思考了CO2的固定,并想办法让这个过程更高效。”他们将新途径命名为“CETCH循环”(CETCH cycle),这是一个由酶组成的复杂网络,其能量效率比天然的光合作用途径高20%。


但研究人员并不清楚CETCH循环是否能与活细胞机器的其他部分兼容。为了探索这种可能性,Erb的同事Tarryn Miller把目光投向了菠菜。她提取了菠菜叶绿体中收集阳光的膜,并将这些膜与CETCH循环的16个酶一起放入反应容器。经过一些微调,Erb、Miller和他们的合作者发现,他们可以让菠菜的膜和CETCH循环酶一起发挥作用。


他们实际上创造了一种人造叶绿体:菠菜叶绿体膜先捕获太阳能,之后合成CETCH循环酶再利用该能量分解CO2。这些酶会把CO2转变成一种名为乙醇酸的分子——可以作为原料,制造实用的有机产品。


美国国家再生能源实验室的物理生化学家Paul King没有参与这项研究,但他评价道:“这是一项很有意义的发现。”


作者表示,虽然只是一次原理验证研究,但它标志着我们可以开始思考人造叶绿体的可能应用场景了。有赖于合成生物学的发展,经过工程改造的微生物现在可以用来大量生产有用的分子,比如药物。但是,能在活细胞内合成的物质依然有限。Erb表示,人造叶绿体可以驱动非生物微型反应器,生成活细胞无法生成的分子。


菠菜的叶绿体膜被应用在微流控芯片上(叶绿体是植物细胞内捕获光能的细胞器)


它们在这方面的效率甚至可能赶超微生物,明尼苏达大学的合成生物学家Kate Adamala说,“天然细胞会将很多能量用在维持生命上,而合成【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整个“代谢”功能可以全部用于生产有价值的化学物。Adamala说,我们甚至可以想象人造叶绿体在封存大气CO2方面一展身手了。


然而,在这类应用成为现实前,还有一些问题需要解决。比如,这种人造叶绿体内的菠菜膜工作几小时后便会开始降解,因而限制了整个系统的使用寿命。此外,种植菠菜并从菠菜细胞中提取膜也是相对耗时的一项工程。Erb说:“利用叶绿体提取物并不是最优的升级方式。”正因为如此,他的团队还在开发能替代菠菜膜的人造系统。


另外,利用人造叶绿体构建全合成微生物的前景也令人兴奋,这些全合成生物将利用构成生命的基本生物学单元在实验室组装完成——当然,在那之前还要先攻克一些难关。


我们或许能将这种人造叶绿体用作人造细胞的产能系统。”东京工业大学的合成生物学家Yutetsu Kuruma说。但他认为最好先让人造叶绿体拥有和天然叶绿体一样的自我修复和自我繁殖能力。这也是他们目前遇到的技术瓶颈。


不过,这些困难并没有阻止Erb和他的同事开始合成细胞实验。他们团队已经开始与美国克雷格·文特尔研究所的研究人员合作,后者在2016年构建出了只含有生命所需最少量基因的合成细胞。他们的计划是将CETCH循环放入这种“最小化”细胞内——如果成功,我们可能向着制造能通过吸收CO2进行自我喂养的合成生命前进了一小步。


“大自然有时候非常保守,从来不会去探索光合作用的所有方式。”Erb说,“这是让我们兴奋的地方:我们可以实现自然从没有尝试过的可能。”


参考文献:

1.Miller, T. E. et al. Science 368, 649–654 (2020).

2.Schwander, T. et al. Science 354, 900–904 (2016).


原文以Cyber-spinach turns sunlight into sugar为标题发表在2020年5月7日的《自然》新闻上


本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Colin Barras

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