光合作用是地球上生命活動的基礎(chǔ)，它通過將光能轉(zhuǎn)化為化學能，將無機物變?yōu)橛袡C物，為生物提供能量和物質(zhì)。人造光合細胞的研究致力于模擬這一過程，以期實現(xiàn)高效的光能利用和碳固定。然而，在人造細胞中實現(xiàn)由光合細胞器驅(qū)動的碳固定一直是該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。 近日，哈爾濱工業(yè)大學的韓曉軍教授團隊模擬葉綠體的光合作用機制，通過藻藍蛋白增強光合細胞器產(chǎn)能效率構(gòu)建出光反應(yīng)能量模塊，設(shè)計并構(gòu)建了ATP依賴的三酶級聯(lián)固碳途徑，將二者載入囊泡構(gòu)建出人造光合細胞。在光照下，人造光合細胞通過能量模塊與固碳途徑耦合，實現(xiàn)了高效固碳。
將ATP合酶和光系統(tǒng)II（PSII）純化并重組到磷脂囊泡膜上，制備出光合細胞器。引入藻藍蛋白增強其光收集能力，提高光能利用效率，使ATP的產(chǎn)量增加2.51倍。 將異檸檬酸脫氫酶（IDH）、烏頭酸酶（ACO）和ATP檸檬酸裂解酶（ACL）三個酶級聯(lián)，使α-酮戊二酸（5碳）轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A（2碳）和草酰乙酸（4碳），建立了碳固定途徑。 將光合細胞器、藻藍蛋白和碳固定途徑成功包封到巨型磷脂囊泡內(nèi)，構(gòu)建了人造光合細胞。在光照下，人造光合細胞成功將α-酮戊二酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A和草酰乙酸。 光反應(yīng)能量供應(yīng)模塊與碳固定酶級聯(lián)模塊的耦合實現(xiàn)了碳固定，模擬了葉綠體的功能。其產(chǎn)物乙酰輔酶A是細胞合成代謝中合成膽固醇和脂肪酸的關(guān)鍵中間體。該成果不僅顯著提升了光合細胞器的能量轉(zhuǎn)化效率，還在人造細胞內(nèi)部實現(xiàn)了光控固碳，為自下而上構(gòu)建具備功能高度復雜代謝網(wǎng)絡(luò)的自供能人造細胞奠定了基礎(chǔ)。 論文信息 Light-Driven Carbon Fixation Using Photosynthetic Organelles in Artificial Photosynthetic Cells Weichen Wang, Jingjing Zhao, Boyu Yang, Chao Li, Yongshuo Ren, Shubin Li, Xiangxiang Zhang, Xiaojun Han Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202421827
