Forskere udvikler en kunstig kloroplast

Over milliarder af år, mikroorganismer og planter udviklede den bemærkelsesværdige proces, vi kender som fotosyntese. Fotosyntese omdanner solenergi til kemisk energi, forsyner således alt liv på Jorden med mad og ilt. De cellulære rum, der rummer de molekylære maskiner, kloroplasterne, er nok de vigtigste naturlige motorer på jorden. Mange videnskabsmænd betragter kunstig genopbygning og kontrol af fotosynteseprocessen som "vor tids Apollo-projekt." Det ville betyde evnen til at producere ren energi - rent brændstof, rene kulstofforbindelser såsom antibiotika, og andre produkter blot fra lys og kuldioxid.

Men hvordan bygger man et levebrød, fotosyntetisk celle fra bunden? Nøglen til at efterligne processerne i en levende celle er at få dens komponenter til at arbejde sammen på det rigtige tidspunkt og sted. Hos Max Planck Society, dette ambitiøse mål forfølges i et tværfagligt multilab-initiativ, MaxSynBio netværket. Nu er det lykkedes Marburg-forskerholdet ledet af direktør Tobias Erb med succes at skabe en platform til automatiseret konstruktion af fotosyntetisk aktive rum i cellestørrelse, "kunstige kloroplaster, ", der er i stand til at opfange og omdanne drivhusgassen kuldioxid med lys.

Mikrofluidik møder syntetisk biologi

Max Planck-forskerne gjorde brug af to nyere teknologiske udviklinger:først syntetisk biologi til design og konstruktion af nye biologiske systemer, såsom reaktionsnetværk til opsamling og omdannelse af kuldioxid, og anden mikrofluidik, til samling af bløde materialer, såsom cellestørrelse dråber.

"Vi havde først brug for et energimodul, der ville give os mulighed for at drive kemiske reaktioner på en bæredygtig måde. I fotosyntese, chloroplastmembraner giver energien til kuldioxidfiksering, og vi planlagde at udnytte denne evne ", Tobias Erb forklarer.

Fotosynteseapparatet isoleret fra spinatplanten viste sig at være robust nok til at det kunne bruges til at drive enkeltreaktioner og mere komplekse reaktionsnetværk med lys. For den mørke reaktion, forskerne brugte deres eget kunstige stofskiftemodul, CETCH-cyklussen. Den består af 18 biokatalysatorer, der omdanner kuldioxid mere effektivt end det kulstofstofskifte, der naturligt forekommer i planter. Efter flere optimeringsrunder, holdet lykkedes med lysstyret fiksering af drivhusgassen CO ₂ in vitro.

Den anden udfordring var samlingen af ​​systemet i et defineret rum i mikroskala. Med henblik på fremtidige ansøgninger, det skal også være nemt at automatisere produktionen. I samarbejde med Jean-Christophe Barets laboratorium ved Centre de Recherché Paul Pascal (CRPP) i Frankrig, forskere udviklede en platform til at indkapsle de semisyntetiske membraner i cellelignende dråber.

Mere effektiv end naturens fotosyntese

Den resulterende mikrofluidiske platform er i stand til at producere tusindvis af standardiserede dråber, der kan udstyres individuelt i henhold til de ønskede metaboliske evner. "Vi kan producere tusindvis af identisk udstyrede dråber, eller vi kan give specifikke egenskaber til individuelle dråber, " sagde Tarryn Miller, hovedforfatter af undersøgelsen. "Disse kan styres i tid og rum af lys."

I modsætning til traditionel genteknologi på levende organismer, bottom-up tilgangen giver afgørende fordele:Den fokuserer på minimalt design, og det er ikke nødvendigvis bundet til den naturlige biologis grænser. "Platformen giver os mulighed for at realisere nye løsninger, som naturen ikke har udforsket under evolutionen, " forklarer Tobias Erb. Efter hans mening, resultaterne rummer et stort potentiale for fremtiden. I deres udgivelse i tidsskriftet Videnskab , forfatterne var i stand til at vise, at udstyring af den "kunstige kloroplast" med de nye enzymer og reaktioner resulterede i en bindingshastighed for kuldioxid, der er 100 gange hurtigere end tidligere syntetisk-biologiske tilgange. "På lang sigt, livlignende systemer kunne anvendes på praktisk talt alle teknologiske områder, herunder materialevidenskab, bioteknologi og medicin - vi er kun i begyndelsen af ​​denne spændende udvikling." resultaterne er endnu et skridt mod at overvinde en af ​​fremtidens største udfordringer:de stadigt stigende koncentrationer af atmosfærisk kuldioxid.