地球福音？“人造叶绿体”诞生！能否改变地球和人类的未来

众所周知，叶绿体是为绿色植物进行光合作用的场所，简单来讲， 是高等植物和一些藻类所特有的能量转换器。它由叶绿体外被、类囊体和基质三部分组成。其中类囊体分布在叶绿体基质和蓝藻细胞中，是单层膜围成的扁平小囊，也称为囊状结构薄膜。类囊体是光合作用的主要部位，因为“光能向活跃的化学能的转化”在此上进行，因此类囊体膜亦称光合膜。

在地球上，绿色植物的光合作用给地球和人类补充了氧气，生命才得以持续发展，那么我们是否能“造”出叶绿体呢？据一项研究表明：人工叶绿体已经实现，而且人工叶绿体可以成功地将阳光和二氧化碳转化为有机化合物！

“人造叶绿体”诞生

叶绿体是光合作用的核心引擎，据了解，合成生物学家已经重新制造出叶绿体，就像机械师把旧的引擎部件拼凑起来制造一辆新的跑车一样，科学家通过将菠菜植物的采光机械与9种不同生物体的酶结合起来，可以制造出一种人造叶绿体，这种叶绿体可以在细胞外工作，收集阳光，并利用由此产生的能量将二氧化碳（CO2）转化成富含能量的分子。研究人员希望他们增强的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，或者帮助基因工程植物吸收高达普通植物大气二氧化碳10倍的二氧化碳。这项重新编程生物学的工作可以大大提高将二氧化碳转化为植物物质以及直接转化为有用化学物质的效率。

光合作用

学过初中生物的朋友都知道，光合作用是一个两步过程。这是一个植物利用太阳的光能，同化二氧化碳（CO2）和水（H2O）制造有机物质并释放氧气的过程。具体来讲，光合作用所产生的有机物主要是碳水化合物，并释放出能量在叶绿体中，叶绿素分子吸收太阳光，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酯（NADPH）。一系列其他酶在复杂的循环中工作，然后利用ATP和NADPH将空气中的CO2转化为葡萄糖和其他富含能量的有机分子，供植物生长。

二氧化碳转化首先是一种叫做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，开始一系列在植物中产生重要代谢物所需的反应。不过人造叶绿体的光合作用也存在问题，那就是RuBisCO酶的传输速度超级低。每一种酶的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，科学家曾经试图通过设计一套新的化学反应来加速事态的发展。他们取代了RuBisCO，取而代之的是一种细菌酶，这种酶能捕捉二氧化碳分子，并迫使它们反应速度加快10倍。结合来自9种不同生物体的16种其他酶，这创造了一个新的二氧化碳到有机化学循环，他们称之为CETCH循环。

这就解决了第二步。但是为了让整个过程在阳光下运行，科学家首先研究了称为类囊体膜的叶绿体成分，类囊体膜是含有叶绿素和其他光合作用酶的囊状组件，前面已经提到过。其他研究人员先前已经证明类囊体膜可以在植物细胞外工作。因此科学家从菠菜叶细胞中提取类囊体膜，并证明它们的组合也能吸收光并将其能量传递给ATP和NADPH分子。而且通过将捕光类囊体与其CETCH循环系统配对，使得研究小组能够利用光不断地将二氧化碳转化为一种叫做乙醇酸盐的有机代谢物。

为了将采光设备与CETCH循环结合起来，研究人员不得不做一些调整。为了优化整个集成，研究团队设计了一种装置，可以在油中产生数千个微小的水滴，并向每个水滴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找到生产乙醇酸盐最有效的配方。通过进一步比较所有可能的组合和不同元素的浓度，可以使这一过程更加有效。

未来的期望

不过科学家希望进一步修改他们的设置，以生产其他有机化合物，甚至比乙醇酸盐更有价值，如药物分子。他们还希望更有效地将捕获的二氧化碳转化为植物生长所需的有机化合物。这将为将这种新的光合作用途径的基因改造成作物打开大门，创造出比现有品种生长速度快得多的新品种，这对人口激增的世界农业乃至整个地球来说都是一个福音。