人工叶绿体赋能低碳未来

光合作用是绿色植物和部分藻类吸收光能，把二氧化碳和水合成有机物，同时释放氧气的过程。绿色植物光合作用主要发生在叶绿体类囊体和基质中，包括一系列光物理、光化学和生理生化的复杂过程。自然光合作用中，由太阳能到最终生物质能的转化效率比较低，藻类植物低于7%，高等植物约为1%。

人工叶绿体技术就是从结构和功能上模仿植物叶绿体的光合作用，以便模拟再现、提高叶绿体的光合效率，实现既可以收集光能，又可以绿色高效合成所需的有机物等。目前，科技界已经在人工叶绿体技术多个前沿方向上取得较大突破。

模拟光合磷酸化过程。通过分子组装技术，我国科研团队先后在2016年、2019年实现了三磷酸腺苷合酶和光系统II两种蛋白的共组装、含光酸分子多层膜叠状结构及光系统II与三磷酸腺苷合酶共组装，实现了“最接近真实叶绿体结构和功能的人工合成”。

重新设计光合固碳途径。2016年，德国科研人员成功构建了一种与天然固碳循环不同的、全人工设计合成的固碳CETCH循环，将其与菠菜叶绿体类囊体薄膜结合在一起，封装到直径约为100微米的液滴中，组成了“半合成光合系统”。随后，在2020年，德法两国科研人员利用合成生物学与纳米微流控技术，又研发出具有叶绿体功能、细胞大小的液滴，以及自动化生产具有不同功能人工叶绿体的组装平台。

改造光合微生物打造“光合细胞工厂”。光合微生物广泛分布，具有固氮、产氢、固碳和脱硫等多种生理生化功能，同时有易繁殖培育、易人工变异、耐性强等优点。以光合微生物的光合作用体系为基础，经过分子遗传改良的天然光合微生物混菌体系在污水处理、土壤修复、高价值化学品合成等领域展示出巨大价值。我国研究人员已经建立了以蓝细菌等单细胞藻为底盘，生产各类能源及高附加值分子的研究体系及平台。

有机/无机人工复合催化体系。人工半导体光催化剂具有消光系数高、吸光范围可调、结构稳定、反应寿命长等优点。将光合作用酶、类囊体膜、光合细菌及其他光合结构单元与人工光合作用单元串联起来，组装成自然—人工光合杂化体系，可实现优势互补、相互促进。目前，蛋白酶—纳米材料体系和活细胞—纳米材料体系两种技术路径进展迅速。

光合作用广泛存在于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊和江海等处，每年地球上通过光合作用合成的有机物约为2200亿吨，相当于人类每年所需能耗的10倍。未来人工叶绿体技术走向成熟乃至商业化，至少有三方面的重大影响。首先，目前主要作物稻麦品种的光能利用效率仅为1%，而作物光能利用效率理论上可达5%。人工叶绿体技术将加速人类认识光合作用科学机理，改造提升农作物的光合作用效率，增加全球农作物的产量。其次，利用人工叶绿体技术可以高效提供环境友好的新能源，更好捕获环境中的CO<font color = "#000000" face = "calibri">2<font color = "#000000" face = "宋体">、加快“碳中和”进程，为解决能源问题和碳排放问题提供新技术方案。再次，人工叶绿体技术有望变革精细化学品、药品制造方式，清除环境特定污染物，且具有低能耗维持高效运行、安全性高等诸多优点，有利于实现联合国可持续发展目标。

总体上，人工叶绿体技术的研发仍然集中在基础研究层面上，还有理论机理、应用基础、材料组件等许多关键科学问题亟待解决。例如，光合作用能量传递效率高达94%—98%，光合作用反应中心进行的光能转换的量子效率几乎是100%。在常温常压下，当前科学技术所开发的人工叶绿体工厂远未能达到上述水平。将当前光吸收激发和化学转化相互分离的两个过程直接耦合，有助于指导人工叶绿体系统设计开发，实现更高效率的光捕集和光能转化。从原子和分子水平逐步深入认识光/电转化、传输过程、热力学、动力学和降解机理，对光合膜蛋白复合物进行空间结构解析，则有助于设计、开发高性能和长寿命的人工叶绿体系统组件。

目前，国际科技界都将人工叶绿体技术作为重要科技攻关方向，加快科技布局。美国加州理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室牵头成立的“人工光合系统联合研究中心”、欧盟未来和新兴技术旗舰计划“面向循环经济的太阳能利用”、我国自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心等，有望为人工叶绿体技术未来发展开辟出一条新路。