通訊作者：Tobias J. Erb，Jean-Christophe Baret通訊單位：馬克斯·普朗克地球微生物學研究所，波爾多大學1. 通過建立類囊體膜/酶微反應器光反應體系，實現了CO2的轉化反應植物葉綠體有兩套光合成系統：光反應系統將ATP和NADP轉化為ADP和NADPH將光的能量儲存在分子中，暗反應系統通過得到的ADP和NADPH將CO2轉化為生物質和O2，實現了將光能轉化為化學能。該過程是化學家一直以來夢寐以求的，馬克思·普朗克研究所的TobiasJ. Erb，波爾多大學Jean-Christophe Baret等對該體系進行研究，希望將這種大自然廣泛存在的反應進行模擬，并取得了里程碑式的意義，通過實驗方法構建了這種生物光催化體系。有鑒于此，馬克思·普朗克研究所的Tobias J. Erb，波爾多大學Jean-Christophe Baret等構建了一種模擬植物體中CO2轉化為碳水化合物的體系，通過分離菠菜中的類囊體膜搭建了~100μm的CO2微反應器，并對該體系的工作效率、反應產物進行分析。反應在類囊體膜催化體系（Thylakoid membranes basedenergy module, TEM）中進行：這種生物催化體系由類囊體膜催化體系構建，從菠菜中分離得到類囊體膜構建了具有內部親水/外部疏水的微反應體系。控制光強度產生光子的速率為50~60 μmol m-2 s-1（抑制生成活性氧物種ROS的副反應，生成活性氧的反應過程會損害體系正常工作）通過UPLC-MS對反應產物進行測試。通過熒光方法檢測NADPH的熒光信號，對反應進行情況進行監測。作者對類囊體膜的反應活性進行研究：結果顯示其對ADP和ATP之間的轉化有催化作用，同時在光的作用中ADP和ATP之間的轉化效率是無光反應的6倍。類囊體：分布在葉綠體基質和藍藻細胞中，是單層膜圍成的扁平小囊，也稱為囊狀結構薄膜。沿葉綠體的長軸平行排列。類囊體膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，“光能向活躍的化學能的轉化（光反應）”在此上進行，因此類囊體膜亦稱光合膜。作用有兩個：水的光解、光和反應電子傳遞。（摘自百度百科）體系催化反應活性。該體系中在90 min內在CO2轉化為glycolate（乙酸的酯化產物）反應中的產量達到47±5 μM，計算得到的光合反應效率~3.5%（NADP+還原反應/NADPH的消耗）。反應隨著光的強度提高有更多的產物生成，在光的強度光子產生速率為50~200 μmol m-2 s-1，NADPH的反應速率提高，光強度高于200 μmol m-1 s-1時，NADPH反應速率反而降低（太強的光損壞了體系的正常工作）。并測試了不同的酶在反應中的活性，測試了反應中氧氣的生成速率。通過將類囊體膜組裝成92 μm的微液滴體系，并對代謝活動情況使用熒光顯微鏡進行分析（NADPH的熒光信號），隨后對該反應體系進行優化，結果發現最優的結果中NADPH的生成速率達到2.0±0.1 μmol min-1ug-1 Chl。此外，作者發現在體系中加入700 mM的山梨糖醇有效的改善了穩定性。通過13CO2標記方法對反應產物進行表征，結果顯示在反應過程中產物分子中通過變位酶（mutases）作用碳的位置會發生變動。TobiasJ. Erb分別在2005年，2009年在弗萊堡大學獲得學士學位和博士學位，隨后在伊利諾伊大學做博士后工作，并于2011年開始在蘇黎世聯邦理工學院工作，隨后2014年轉入馬克思·普朗克研究所工作，主要做生物合成特別是代謝過程相關工作，目前對通過生物酶、細菌等轉化CO2感興趣。最近在Nature Catalysis上發表了仿生催化體系的構建綜述（A roadmap towards integrated catalytic systems of the future. NatCatal 3, 186–192 (2020). DOI:10.1038/s41929-020-0429-x）http://www.pswbw.com/showinfo-32-17596.html。此外，其于2016年在Science上以“Asynthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro”為題發表了工作，為本工作體系相關工作，在本工作中，作者在生物體內重構了CO2轉化的體系。（DOI:10.1126/science.aah5237）Jean-ChristopheBaret，從巴黎高等物理化工學院（居里夫人的母校）獲得學士學位，隨后在皮埃爾·瑪麗·居里大學獲得碩士學位，在特文特大學獲得博士學位。主要研究領域在生物相關體系構建，特別是對微反應器、人工細胞構建等領域感興趣，從而對生命起源進行探索。和本工作相關的工作是2017年和Ilia Platzman，JoachimP. Spatz等在Nature Materials上發表的“Sequentialbottom-up assembly of mechanically stabilized synthetic cells by microfluidics”工作（Nature Materials 2018, 17, 89-96. DOI：10.1038/nmat5005）。TarrynE. Miller, Thomas Beneyton, Thomas Schwander, Christoph Diehl, Mathias Girault,Richard McLean, Tanguy Chotel, Peter Claus, Ni?a Socorro Cortina,Jean-Christophe Baret*, Tobias J. Erb*. Light-poweredCO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and syntheticparts，Science 2020, 368, 649-654DOI：10.1126/science.aaz6802https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649創造全人工的生物體能夠提高對目前的生命、合成有機生物體過程的理解。生命體中關鍵問題是能量產生的過程，從而實現內部機制的運行。分解代謝反應（catabolic reaction）是為細胞提供碳和能量的主要反應，一些工作對其中主要的能量物參與反應的過程進行探索，盡管目前小分子中獲得能源得到了巨大的成功，通過設計合成代謝機制（anabolic mechanism）過程從無盡的光能中收集能量仍有很高難度。不過最近馬克斯·普朗克研究所Tobias J. Erb等在本領域中取得了一定的進展。明尼蘇達大學Katarzyna P. Adamala等對工作進行總結并對合成生物學的發展進行展望，在Science上刊發了展望報道。Miller、Tobias等從菠菜中的類囊體中分離得到膜組裝成~100 μm的微型反應器，并將16種酶組裝到這種油包水粒子中，并組成了CoA/乙基丙二酰-CoA/羥基丁?；?CoA組成的結構，這種結構具有CO2活化的能力，通過吸收光并將CO2轉化為多碳產物，同時將ADP轉化為ATP。該過程有與生物體中的相同光合成過程。作者通過光照反應中測試，發現ATP的含量提高，并且NADPH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）的含量降低，并且生成乙醇化物種。作者通過油包水液滴方法進行對這種體系的大量復制。通過對NADPH的熒光進行示蹤，驗證了反應體系的構建成功，并追蹤反應過程中的變化。本工作的重要意義是對模擬生物體中的反應過程。將來的發展前景。可以將植物酶引入該體系中進行光相關的反應，此外將本技術和重組蛋白的蛋白質合成（PURE：protein synthesis using recombinantelements）或者全細胞轉錄系統（whole-cell transcription-translationsystem）相結合，可能實現自復制系統的同時提高吸光性能和反應性能。通過流動相反應方法能夠更好的將自然細胞與環境之間更好的結合，通過這種無細胞體系和細胞合成技術結合，能夠提高生物技術在光合成中應用。這個工作無疑是合成生物學中里程碑式的工作，得到了具有自我維持（self-sustaining）的細胞體系。這種CO2轉化為高級多碳有機物的技術在利用人工生物反應器實現藥物合成、小分子合成中有重要借鑒意義（綠色光合成有機分子），并且能夠利用環境中的CO2。不知道這種反應體系對無機/有機光催化體系是否有利用價值呢？NathanielJ. Gaut, Katarzyna P. Adamala*. Towardartificial photosynthesis，Science 2020, 368, 587-588
DOI：10.1126/science.abc1226https://science.sciencemag.org/content/368/6491/587
