生物固碳是地球碳循环过程的重要组成部分。自然界已经发现了多条天然生物固碳途径，但自然途径不仅能量利用效率低下，而且人工改造提升固碳效率难度大。随着合成生物学的发展，新的人工固碳途径不断涌现。相对于天然途径，人工固碳途径具有路线短、耗能少、原子经济性高等优点，有望在不久的将来能够替代天然固碳途径，实现固碳效率的大幅提高，是解决人类能源与环境问题的有效途径之一。

2016年，德国马克斯-普朗克研究所的Tobias J. Erb课题组在《Science》上报道了一种非天然的酶催化二氧化碳固定新途径CETCH循环，它比自然界的开尔文固碳循环效率更高。然而CETCH循环需要消耗昂贵的ATP和NADPH进行供能，使它无法大规模使用。最近德国马克斯-普朗克研究所的Tobias J. Erb课题组与法国波尔多大学的Jean-Christophe Baret合作在《Science》上发表了题为“Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts”的研究论文。文章中，通过液滴微流控技术将天然的叶绿体内中类囊体膜（thylakoid membrane）与CETCH固碳循环中的多种酶完美整合，构建出了能够利用光照作为能量源且效率超过自然的人造叶绿体（如下图所示）。这种人造叶绿体能够通过光合作用产生能量分子ATP与NADPH，并进一步高效地将二氧化碳转化为化工原料羟基乙酸。

从菠菜叶绿体中提取类囊体，并通过液滴微流控技术与CETCH循环的多种酶结合，制备人工叶绿体

首先从菠菜的叶绿体中分离出类囊体膜，并通过实验证实了分离所得的类囊体膜能够在光照的条件下将NADP+还原为NADPH,且能够将ADP转化为ATP。类囊体膜能够为巴豆酰基-辅酶A羧基酶/还原酶（crotonyl-coenzyme A (CoA) carboxylase/reductase (Ccr)）以及丙酰基-辅酶A羧基酶（and propionyl-CoA carboxylase (Pcc)）等二氧化碳固定反应所需的酶提供能量。在这基础上，证实了类囊体膜兼容够为CETCH循环中所需的16种酶以及乙醛酸还原酶。值得一提的是CETCH循环中的酶来自于植物、动物、微生物等多个物种，是目前人类已经发现固碳途径中反应路径最短、能耗最低的固碳循环。如下图所示，类囊体膜与CETCH循环实现了完美的结合。类囊体膜在光照条件下可以产生NADPH与ATP, NADPH与ATP能够对CETCH循环进行供能，CETCH循环将二氧化碳固定为乙醛酸，乙醛酸能够被体系中的NADPH还原为工业原料羟基乙酸。

基于类囊体膜的CETCH循环，能够利用光照功能，固碳效率超过自然界的开尔文循环
由于本体实验具有体积受限、自我遮蔽效应、无法实时监控等限制，设计采用了液滴微流控技术来实现规模放大、高通量、实时监测等需求。如下图所示，液滴微流控技术制备了油包水小液滴，类囊体膜以及多种酶在小液滴内，通过NADPH荧光来筛选出具有反应活性的小液滴。通过对比本体组、液滴微流控组、以及无光照对照组发现，液滴微流控技术能够显著提高人工叶绿体的二氧化碳转化效率。能够在90分钟时间内，产生47±5微摩尔的羟基乙酸。

(A)液滴微流控技术制备人工叶绿体；（B）人工叶绿体工作循环；（C）本体、微流控液滴、黑暗条件下固碳效率对比
总而言之，这是一种将自然生物合成与人工生物合成技术完美整合的方法，制备的人工叶绿体具有超越自然光合作用的潜力。人工叶绿体具有获取光能固化二氧化碳并得到工业原料的能力，将在人工生物合成器、甚至人工生命系统中有着重要应用。人工叶绿体的合成对于面对全球变暖、化石燃料可持续化等挑战具有重要意义，是人工合成生物学领域中里程碑式的工作。

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