應(yīng)對全球變暖，控制大氣中二氧化碳的濃度是全人類的共同挑戰(zhàn)。隨著美國退出了巴黎氣候協(xié)定，這個挑戰(zhàn)變得更加艱巨。自然界的光合作用是地球上最主要的二氧化碳固定方法，每年能夠以多碳生物質(zhì)的形式固定超過1000億噸的二氧化碳。然而，隨著各國工業(yè)化能力的快速發(fā)展，化石燃料的消耗量激增，自然界的光合作用已經(jīng)無法及時將過多的二氧化碳固定，因此大氣中二氧化碳的濃度呈上升趨勢。人工固碳為解決這個挑戰(zhàn)帶來了一條可行的道路，在降低大氣二氧化碳的同時能夠提供多碳化合物，緩解化石能源的消耗。
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，作者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（如圖1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，并進一步高效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化工原料羥基乙酸。
作者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。接著作者證實了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)。如圖二所示，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。
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，作者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。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（圖3A）。作者通過對比本體組、液滴微流控組(圖3B)、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（圖3C）。能夠在90分鐘時間內(nèi)，產(chǎn)生47±5微摩爾的羥基乙酸。
總而言之，作者展示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。
