光合生命融合的新技术

对可持续能源的追求已成为社会面临的核心挑战。为了在不进一步破坏全球气候的情况下满足不断增长的能源需求，研究人员正在探索数十亿年来为植物和许多动物提供能源的自然过程。

　　

植物的秘密是在光合作用过程中把辐射能转化为化学能，现在科学家希望能够人工介入这个过程，积累更多的能量。

在最新一期《美国化学学会杂志》上发表的一项新研究中，主要作者克里斯汀·刘易斯和她的亚利桑那州立大学同事描述了一种专利的混合装置——部分活生物体，部分生物电池，在自然光合作用通常被抑制的光条件下，通过增加能量流来产生储存能量的。

这类技术的进步为生产多种有用产品提供了绿色途径，包括运输燃料、农用化学品、疗法、化妆品、塑料和特种化学品以及人和动物补充剂。

这项新的研究表明，改良的光合作用微生物——在这种情况下，蓝藻细菌——可以从外部来源获得电子，并利用这些电子为化学反应提供动力，最终可用于人类应用。研究人员称这种方法为微生物电光合作用(MEPS)。

“这个项目将揭开能量转移的神秘面纱。具体来说，我们致力于通过利用光合作用电子传递链的后半部分来架起人工能量与自然光合作用之间的桥梁。”刘易斯说。“研究目标是有能力随意开启光合作用，最终使其更有效，并产生稳定的能源产品。”

刘易斯是应用结构发现生物设计中心(CASD)、斯威特环境生物技术中心(EB)和亚利桑那州立大学分子科学学院(SMS)的研究员。

光合作用2.0

自然光合作用的基本原理包括几个关键成分:水、阳光和二氧化碳。光合作用细胞扮演着生产葡萄糖的微型工厂的角色，葡萄糖再转化为ATP，即细胞的主要能量货币。在这个过程中，氧气作为一种呼吸副产物产生，但当高强度的光产生有害的氧自由基时，可以证明对光合作用过程有害。

虽然光合作用非常适合于满足植物和其他光合作用生物体的能量需求，但光转化为有用的化学能的速率太低，不足以满足今天人类的能量需求。长期以来，研究人员一直在寻找利用自然光合作用的方法，同时也在改进它，以找到碳中和能源的解决方案。

与自然合作

自然光合作用的能量转换效率存在若干重要的限制因素。首先，光合作用生物只利用太阳发出的光谱的一小部分，即红色可见光。第二，在实际应用中，碳的固定速度太慢。增加它需要提高电子通过传递链的速度。

最后，光合作用生物体一次只能处理有限数量的太阳激发电子。如果电子传递链一次供给过多，这个过程就会因光损伤而停止，使细胞丧失功能或死亡。这种能量效率的限制主要是由于细胞电子传输机制的一个关键组成部分，一个蛋白质复合体，称为光系统II (PS II)。

在这项新的研究中，MEPS系统被描述为使用一个连接到外部阴极的转基因蓝藻。使用的蓝藻在Wim Vermaas的实验室中进行了再造，以在没有光系统II组分的情况下进行电子的光合循环。

在化学介质的帮助下，电子从设备的阴极穿梭到蓝藻的电子传输链。由于光易受损害的光系统II被消除，光合过程通过另一个途径发生，即通过光系统I。

这一结果证实了光合作用确实可以通过外部电子供给电子传递链来进行，而且可以在超高强度光的存在下进行。

“作为团队的一员，我的首要任务之一是找到合适的电化学介质，将电子移动到电池中，我认为最重要的是，我们意识到我们已经缓解了聚囊藻(蓝藻)的一些更大的限制，为系统去除光系统II，并从电极给它们电子。”

可持续发展的未来

MEPS系统可能会利用现有的太阳能电池来提供为光合反应提供动力所需的外部电子。光电可以提供波长从零一直到数千纳米的电子，提供比通常的自然光合作用更广泛的光谱线。

这个项目历时六年，代表了包括微生物学、工程学、生物化学、电化学、光化学和物理学在内的科学学科的大联合。随着刘易斯在各种会议上的演讲，这一研究一直是令人兴奋的焦点，她的研究获得了许多重要奖项，包括2021年北美国际电化学微生物学会会议最佳口头报告奖，2021年东部区域光合作用会议最佳海报奖、2019年自然会议能源奖、2019年戈登研究会议奖和2018年生物设计聚变会议居里夫人奖。

“到2050年，随着全球扩张的速度加快，我们的能源需求将超过供应。然而，我们现在就可以采取行动，学习如何提供高效和更清洁的能源，”刘易斯说。“我的目标是为下一个突破做出贡献，帮助这个巨大的蓝色大理石变得更好。”

Electrochemically Driven Photosynthetic Electron Transport in Cyanobacteria Lacking Photosystem II