光合作用是地球上生命活动的基础，它通过将光能转化为化学能，将无机物变为有机物，为生物提供能量和物质。人造光合细胞的研究致力于模拟这一过程，以期实现高效的光能利用和碳固定。然而，在人造细胞中实现由光合细胞器驱动的碳固定一直是该领域的重大挑战。 近日，哈尔滨工业大学的韩晓军教授团队模拟叶绿体的光合作用机制，通过藻蓝蛋白增强光合细胞器产能效率构建出光反应能量模块，设计并构建了ATP依赖的三酶级联固碳途径，将二者载入囊泡构建出人造光合细胞。在光照下，人造光合细胞通过能量模块与固碳途径耦合，实现了高效固碳。
将ATP合酶和光系统II（PSII）纯化并重组到磷脂囊泡膜上，制备出光合细胞器。引入藻蓝蛋白增强其光收集能力，提高光能利用效率，使ATP的产量增加2.51倍。 将异柠檬酸脱氢酶（IDH）、乌头酸酶（ACO）和ATP柠檬酸裂解酶（ACL）三个酶级联，使α-酮戊二酸（5碳）转化为乙酰辅酶A（2碳）和草酰乙酸（4碳），建立了碳固定途径。 将光合细胞器、藻蓝蛋白和碳固定途径成功包封到巨型磷脂囊泡内，构建了人造光合细胞。在光照下，人造光合细胞成功将α-酮戊二酸转化为乙酰辅酶A和草酰乙酸。 光反应能量供应模块与碳固定酶级联模块的耦合实现了碳固定，模拟了叶绿体的功能。其产物乙酰辅酶A是细胞合成代谢中合成胆固醇和脂肪酸的关键中间体。该成果不仅显著提升了光合细胞器的能量转化效率，还在人造细胞内部实现了光控固碳，为自下而上构建具备功能高度复杂代谢网络的自供能人造细胞奠定了基础。 论文信息 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
