Science重磅: 百年逐梦,人工光合作用里程碑突破!
微著 2020-05-10
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第一作者:Tarryn E. Miller
通讯作者:Tobias J. Erb,Jean-Christophe Baret
通讯单位:马克斯·普朗克地球微生物学研究所,波尔多大学
 
研究要点:
1. 通过建立类囊体膜/酶微反应器光反应体系,实现了CO2的转化反应
2. 人工模拟生物CO2固定体系
3. CO2反应机理研究
 
研究背景
植物叶绿体有两套光合成系统:光反应系统将ATP和NADP转化为ADP和NADPH将光的能量储存在分子中,暗反应系统通过得到的ADP和NADPH将CO2转化为生物质和O2,实现了将光能转化为化学能。该过程是化学家一直以来梦寐以求的,马克思·普朗克研究所的TobiasJ. Erb,波尔多大学Jean-Christophe Baret等对该体系进行研究,希望将这种大自然广泛存在的反应进行模拟,并取得了里程碑式的意义,通过实验方法构建了这种生物光催化体系。
 
拟解决的关键问题
模拟植物体中的光合作用反应。
 
核心内容和结论
有鉴于此,马克思·普朗克研究所的Tobias J. Erb,波尔多大学Jean-Christophe Baret等构建了一种模拟植物体中CO2转化为碳水化合物的体系,通过分离菠菜中的类囊体膜搭建了~100μm的CO2微反应器,并对该体系的工作效率、反应产物进行分析。
 
要点1. 光催化体系
反应在类囊体膜催化体系(Thylakoid membranes basedenergy module, TEM)中进行:这种生物催化体系由类囊体膜催化体系构建,从菠菜中分离得到类囊体膜构建了具有内部亲水/外部疏水的微反应体系。
 
控制光强度产生光子的速率为50~60 μmol m-2 s-1(抑制生成活性氧物种ROS的副反应,生成活性氧的反应过程会损害体系正常工作)通过UPLC-MS对反应产物进行测试。通过荧光方法检测NADPH的荧光信号,对反应进行情况进行监测。

作者对类囊体膜的反应活性进行研究:结果显示其对ADP和ATP之间的转化有催化作用,同时在光的作用中ADP和ATP之间的转化效率是无光反应的6倍。

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。沿叶绿体的长轴平行排列。类囊体膜上含有光合色素和电子传递链组分,“光能向活跃的化学能的转化(光反应)”在此上进行,因此类囊体膜亦称光合膜。作用有两个:水的光解、光和反应电子传递。(摘自百度百科)
 
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图1. 类囊体膜反应器的设计

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图2. 流动反应体系搭建和荧光观测

要点2.催化反应活性
体系催化反应活性。该体系中在90 min内在CO2转化为glycolate(乙酸的酯化产物)反应中的产量达到47±5 μM,计算得到的光合反应效率~3.5%(NADP+还原反应/NADPH的消耗)。反应随着光的强度提高有更多的产物生成,在光的强度光子产生速率为50~200 μmol m-2 s-1,NADPH的反应速率提高,光强度高于200 μmol m-1 s-1时,NADPH反应速率反而降低(太强的光损坏了体系的正常工作)。并测试了不同的酶在反应中的活性,测试了反应中氧气的生成速率。

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图3. 检测反应中生成的NADPH
 
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图4. 检测反应中生成的O2 

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图5. 检测反应情况

要点3. 体系优化和催化反应机理研究
通过将类囊体膜组装成92 μm的微液滴体系,并对代谢活动情况使用荧光显微镜进行分析(NADPH的荧光信号),随后对该反应体系进行优化,结果发现最优的结果中NADPH的生成速率达到2.0±0.1 μmol min-1ug-1 Chl。此外,作者发现在体系中加入700 mM的山梨糖醇有效的改善了稳定性。

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图6. 反应体系优化

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图7. CO2和有机酸的酶反应机理

通过13CO2标记方法对反应产物进行表征,结果显示在反应过程中产物分子中通过变位酶(mutases)作用碳的位置会发生变动。

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图8. 同位素反应机理研究
 
要点4. 作者的相关研究
TobiasJ. Erb分别在2005年,2009年在弗莱堡大学获得学士学位和博士学位,随后在伊利诺伊大学做博士后工作,并于2011年开始在苏黎世联邦理工学院工作,随后2014年转入马克思·普朗克研究所工作,主要做生物合成特别是代谢过程相关工作,目前对通过生物酶、细菌等转化CO2感兴趣。最近在Nature Catalysis上发表了仿生催化体系的构建综述(A roadmap towards integrated catalytic systems of the future. NatCatal 3, 186–192 (2020). DOI:10.1038/s41929-020-0429-x)http://www.nanoer.net/showinfo-32-17596.html。此外,其于2016年在Science上以“Asynthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro”为题发表了工作,为本工作体系相关工作,在本工作中,作者在生物体内重构了CO2转化的体系。(DOI:10.1126/science.aah5237)

Jean-ChristopheBaret,从巴黎高等物理化工学院(居里夫人的母校)获得学士学位,随后在皮埃尔·玛丽·居里大学获得硕士学位,在特文特大学获得博士学位。主要研究领域在生物相关体系构建,特别是对微反应器、人工细胞构建等领域感兴趣,从而对生命起源进行探索。和本工作相关的工作是2017年和Ilia Platzman,JoachimP. Spatz等在Nature Materials上发表的“Sequentialbottom-up assembly of mechanically stabilized synthetic cells by microfluidics”工作(Nature Materials 2018, 17, 89-96. DOI:10.1038/nmat5005)。
 
参考文献及原文链接
TarrynE. Miller, Thomas Beneyton, Thomas Schwander, Christoph Diehl, Mathias Girault,Richard McLean, Tanguy Chotel, Peter Claus, Niña Socorro Cortina,Jean-Christophe Baret*, Tobias J. Erb*. Light-poweredCO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and syntheticparts,Science 2020, 368, 649-654
DOI:10.1126/science.aaz6802
https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649
 
 
Science:本工作的展望

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第一作者:Nathaniel J. Gaut
通讯作者:Katarzyna P. Adamal
通讯单位:明尼苏达大学
 
创造全人工的生物体能够提高对目前的生命、合成有机生物体过程的理解。生命体中关键问题是能量产生的过程,从而实现内部机制的运行。分解代谢反应(catabolic reaction)是为细胞提供碳和能量的主要反应,一些工作对其中主要的能量物参与反应的过程进行探索,尽管目前小分子中获得能源得到了巨大的成功,通过设计合成代谢机制(anabolic mechanism)过程从无尽的光能中收集能量仍有很高难度。不过最近马克斯·普朗克研究所Tobias J. Erb等在本领域中取得了一定的进展。明尼苏达大学Katarzyna P. Adamala等对工作进行总结并对合成生物学的发展进行展望,在Science上刊发了展望报道。
 
要点1. 对该工作的总结
Miller、Tobias等从菠菜中的类囊体中分离得到膜组装成~100 μm的微型反应器,并将16种酶组装到这种油包水粒子中,并组成了CoA/乙基丙二酰-CoA/羟基丁酰基-CoA组成的结构,这种结构具有CO2活化的能力,通过吸收光并将CO2转化为多碳产物,同时将ADP转化为ATP。该过程有与生物体中的相同光合成过程。作者通过光照反应中测试,发现ATP的含量提高,并且NADPH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)的含量降低,并且生成乙醇化物种。作者通过油包水液滴方法进行对这种体系的大量复制。通过对NADPH的荧光进行示踪,验证了反应体系的构建成功,并追踪反应过程中的变化。本工作的重要意义是对模拟生物体中的反应过程。

要点2. 对该工作的展望
将来的发展前景。可以将植物酶引入该体系中进行光相关的反应,此外将本技术和重组蛋白的蛋白质合成(PURE:protein synthesis using recombinantelements)或者全细胞转录系统(whole-cell transcription-translationsystem)相结合,可能实现自复制系统的同时提高吸光性能和反应性能。通过流动相反应方法能够更好的将自然细胞与环境之间更好的结合,通过这种无细胞体系和细胞合成技术结合,能够提高生物技术在光合成中应用。

这个工作无疑是合成生物学中里程碑式的工作,得到了具有自我维持(self-sustaining)的细胞体系。这种CO2转化为高级多碳有机物的技术在利用人工生物反应器实现药物合成、小分子合成中有重要借鉴意义(绿色光合成有机分子),并且能够利用环境中的CO2
不知道这种反应体系对无机/有机光催化体系是否有利用价值呢?
 
NathanielJ. Gaut, Katarzyna P. Adamala*. Towardartificial photosynthesis,Science 2020, 368, 587-588
DOI:10.1126/science.abc1226
https://science.sciencemag.org/content/368/6491/587

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