韩晓军教授团队模拟叶绿体在人造光合细胞中实现光控固碳

近日，城乡水资源与水环境全国重点实验室成员韩晓军团队在人造细胞研究领域取得重要进展，模拟叶绿体在人造光合细胞中实现光控固碳。相关成果以《人造光合细胞内利用光合细胞器实现光驱动碳固定》（Light-Driven Carbon Fixation Using Photosynthetic Organelles in Artificial Photosynthetic Cells）为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该成果有助于理解细胞工作机制，为构建具有复杂代谢功能的人造细胞提供基础。

 光合作用是地球上生命活动的基础，通过将光能转化为化学能、将无机物转化为有机物，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。但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。

 基于上述挑战，韩晓军教授团队模拟了叶绿体的工作机制，构建了人造光合细胞，实现了光控固碳。团队将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，并引入藻蓝蛋白增强其光收集能力，提高光能利用效率和ATP的产量。团队将异柠檬酸脱氢酶（IDH）、乌头酸酶（ACO）和ATP柠檬酸裂解酶（ACL）级联，建立了碳固定途径，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），并将光合细胞器、藻蓝蛋白和碳固定途径成功包封到巨型磷脂囊泡内，构建出人造光合细胞。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光控固碳，模拟了叶绿体功能。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，为自下而上构建具有高度复杂代谢网络的自供能人造细胞奠定了基础。

人造细胞内利用光合细胞器进行光驱动碳固定

城乡水资源与水环境全国重点实验室为论文通讯单位。实验室成员韩晓军教授、化工与化学学院张祥祥助理教授、李书彬副研究员和李超助理研究员为论文通讯作者，博士研究生王玮琛为论文第一作者，赵晶晶副研究员和博士研究生杨博宇、任永硕参与相关研究工作。

该研究获国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金等项目资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202421827