生物固碳是地球碳循環(huán)過程的重要組成部分。自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多條天然生物固碳途徑，但自然途徑不僅能量利用效率低下，而且人工改造提升固碳效率難度大。隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，新的人工固碳途徑不斷涌現(xiàn)。相對于天然途徑，人工固碳途徑具有路線短、耗能少、原子經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點，有望在不久的將來能夠替代天然固碳途徑，實現(xiàn)固碳效率的大幅提高，是解決人類能源與環(huán)境問題的有效途徑之一。

2016年，德國馬克斯-普朗克研究所的Tobias J. Erb課題組在《Science》上報道了一種非天然的酶催化二氧化碳固定新途徑CETCH循環(huán)，它比自然界的開爾文固碳循環(huán)效率更高。然而CETCH循環(huán)需要消耗昂貴的ATP和NADPH進(jìn)行供能，使它無法大規(guī)模使用。最近德國馬克斯-普朗克研究所的Tobias J. Erb課題組與法國波爾多大學(xué)的Jean-Christophe Baret合作在《Science》上發(fā)表了題為“Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts”的研究論文。文章中，通過液滴微流控技術(shù)將天然的葉綠體內(nèi)中類囊體膜（thylakoid membrane）與CETCH固碳循環(huán)中的多種酶完美整合，構(gòu)建出了能夠利用光照作為能量源且效率超過自然的人造葉綠體（如下圖所示）。這種人造葉綠體能夠通過光合作用產(chǎn)生能量分子ATP與NADPH，并進(jìn)一步高效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化工原料羥基乙酸。

從菠菜葉綠體中提取類囊體，并通過液滴微流控技術(shù)與CETCH循環(huán)的多種酶結(jié)合，制備人工葉綠體

首先從菠菜的葉綠體中分離出類囊體膜，并通過實驗證實了分離所得的類囊體膜能夠在光照的條件下將NADP+還原為NADPH,且能夠?qū)DP轉(zhuǎn)化為ATP。類囊體膜能夠為巴豆?；?輔酶A羧基酶/還原酶（crotonyl-coenzyme A (CoA) carboxylase/reductase (Ccr)）以及丙?；?輔酶A羧基酶（and propionyl-CoA carboxylase (Pcc)）等二氧化碳固定反應(yīng)所需的酶提供能量。在這基礎(chǔ)上，證實了類囊體膜兼容夠為CETCH循環(huán)中所需的16種酶以及乙醛酸還原酶。值得一提的是CETCH循環(huán)中的酶來自于植物、動物、微生物等多個物種，是目前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)固碳途徑中反應(yīng)路徑最短、能耗最低的固碳循環(huán)。如下圖所示，類囊體膜與CETCH循環(huán)實現(xiàn)了完美的結(jié)合。類囊體膜在光照條件下可以產(chǎn)生NADPH與ATP, NADPH與ATP能夠?qū)ETCH循環(huán)進(jìn)行供能，CETCH循環(huán)將二氧化碳固定為乙醛酸，乙醛酸能夠被體系中的NADPH還原為工業(yè)原料羥基乙酸。

基于類囊體膜的CETCH循環(huán)，能夠利用光照功能，固碳效率超過自然界的開爾文循環(huán)
由于本體實驗具有體積受限、自我遮蔽效應(yīng)、無法實時監(jiān)控等限制，設(shè)計采用了液滴微流控技術(shù)來實現(xiàn)規(guī)模放大、高通量、實時監(jiān)測等需求。如下圖所示，液滴微流控技術(shù)制備了油包水小液滴，類囊體膜以及多種酶在小液滴內(nèi)，通過NADPH熒光來篩選出具有反應(yīng)活性的小液滴。通過對比本體組、液滴微流控組、以及無光照對照組發(fā)現(xiàn)，液滴微流控技術(shù)能夠顯著提高人工葉綠體的二氧化碳轉(zhuǎn)化效率。能夠在90分鐘時間內(nèi)，產(chǎn)生47±5微摩爾的羥基乙酸。

(A)液滴微流控技術(shù)制備人工葉綠體；（B）人工葉綠體工作循環(huán)；（C）本體、微流控液滴、黑暗條件下固碳效率對比
總而言之，這是一種將自然生物合成與人工生物合成技術(shù)完美整合的方法，制備的人工葉綠體具有超越自然光合作用的潛力。人工葉綠體具有獲取光能固化二氧化碳并得到工業(yè)原料的能力，將在人工生物合成器、甚至人工生命系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用。人工葉綠體的合成對于面對全球變暖、化石燃料可持續(xù)化等挑戰(zhàn)具有重要意義，是人工合成生物學(xué)領(lǐng)域中里程碑式的工作。

安徽元琛環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆ㄒ韵潞喎Q“元琛科技” ）是一家集除塵布袋、脫硝催化劑研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)。十六年來，始終專注環(huán)保領(lǐng)域的元琛科技，目前擁有國際PCT4項，授權(quán)發(fā)明專利33項，在受理發(fā)明專利77項，其中“除塵脫硝一體化技術(shù)產(chǎn)品”等多個產(chǎn)品被授予安徽省科學(xué)進(jìn)步獎。產(chǎn)品除塵布袋（主要為PPS、PTFE、P84及復(fù)合系列過濾材料）和SCR脫硝催化劑已在水泥、鋼鐵、玻璃爐窯、垃圾焚燒發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、有色金屬冶煉等多行業(yè)廣泛應(yīng)用！

未來，元琛科技將以“成為全球生態(tài)環(huán)境守護(hù)者”為指引，始終扎根環(huán)保，堅持守護(hù)藍(lán)天白云的偉大事業(yè)。借力國家生態(tài)文明建設(shè)大格局，不斷深化技術(shù)、優(yōu)化管理、強化品牌、細(xì)化產(chǎn)業(yè)、固化優(yōu)勢，通過綜合統(tǒng)籌治理與服務(wù)，為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造協(xié)同價值。