Tobias Erb与合成光合作用系统
封面图源： Max Planck Institute for terrestrial Microbiology/Erb
Tobias Erb
Tobias Erb，供职于德国马克思普朗克陆地微生物研究所生物化学与合成代谢学系。Tobias Erb的主要研究领域为微生物的碳循环，研究方向有三个 [1]：
- 发掘微生物碳循环的新型酶和通路
- 对二氧化碳固定酶的酶学和蛋白质设计研究
- 构建人工光合作用系统
其研究工作和综述多次发表在Nature, Science, Nature Chemical Biology, Nature Plants, PNAS, Angew, JACS等期刊上。本文主要集中介绍他构建人工光合作用系统的工作。
CETCH 循环——合成的二氧化碳固定系统
2016年11月，Tobias Erb课题组在Science上发表了题为 A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro [2]的工作，利用合成生物学思路人工构建了可以固定二氧化碳、并将其转化为多碳有机物的酶通路。
与传统的基于已知的酶去构建代谢通路不同，他们首先基于逆向合成思路、考虑生化反应的可行性设计了多种理论上存在的反应通路，再去寻找每个反应可能需要的酶。这种理论反应通路需要遵守三个条件：
- 由ECR（enoyl-CoA carboxylase/reductase）起始，因为ECR反应相比其他羧化反应效率更高、对氧气不敏感、而且底物范围更广。
- 这一串反应必须能够重新产生羧化产物，使得反应能够不断循环进行下去
- 这种反应循环必须有输出的分支，将二氧化碳固定为产物
根据这些条件，他们构建了多种理论通路，如CETCH循环、HOPAC循环、FUMES循环和HITME循环。 与天然固碳循环比较可以发现，这些理论循环在能量上比部分天然循环更加高效（固定每个二氧化碳分子需要的ATP以及折合的光子数更少）。
通过对生物信息库的搜索以及对特定几个酶的改造，他们实现了CETCH循环的构建。这种合成固碳循环中的17种酶来自9个不同的物种，包括细菌、古菌、植物和哺乳动物，成为6种天然固碳循环之外的第七种固碳循环。
经过几轮的优化，合成CETCH系统可以以5 nmol每分钟每毫克核心蛋白的速度固定二氧化碳，而在细胞提取液中的卡尔文循环（CBB cycle）的固碳速度是1~3 nmol每分钟每毫克核心蛋白。值得一提的是，在CETCH循环中，研究者需要额外添加酶来提供ATP和NADPH。
人造光合作用系统
基于上一篇文章的结果，Tobias Erb课题组将CETCH系统与菠菜叶绿体类囊体薄膜结合在一起，组成了由类囊体膜接受光照提供ATP和NADPH、由CETCH系统固碳的人造光合作用系统。相关研究以 Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts [3]发表在5月8日的 Science 杂志上。
首先在较大的体系下将CETCH系统中的酶与类囊体膜混合，在光照条件下类囊体膜可以产生NADPH和ATP，驱动CETCH系统循环的进行。可以看到在光照条件下methlmalonyl-CoA可以被消耗，进一步产生ethylamalonyl-CoA，而在黑暗条件下则没有。作为固碳产物的glycolate在光照条件下也有明显的积累。
通过微流控技术，类囊体薄膜和酶的混合液被封装直径约为100微米的液滴之中。每个液滴中大约含有100个类囊体，液滴中NADPH的浓度可以通过荧光的强度监控，这提供了一个间接的检测类囊体和酶反应的指标。由图可以看出，类囊体薄膜在光照条件下可以驱动单个的酶反应。
为了进一步检测液滴内光照驱动复杂酶反应的能力，研究者将CETCH循环的酶体系与类囊体共同封装到了液滴中，并根据NADPH的浓度变化对原有的CETCH循环做了进一步的优化。在90分钟内，这种人造光合系统能够生产 47\pm5 μM的固碳产物glucolate，碳转化效率约为3%。
Tobias Erb课题组的工作揭示了将人造系统与天然系统组合来构建“半合成光合系统” 的潜力，也让人期待全合成光合系统、甚至全合成植物细胞的出现。同期发表在Science上的评论文章 Toward artificial photosynthesis [4]指出，该领域还有许多值得探索的方向：
- 将CETCH循环与人造的光依赖或非光依赖的能量反应耦联起来，比如利用质子梯度产生ATP的ATP酶和视紫红质蛋白，从而实现全合成的光合系统
- 将人造光合系统与无细胞系统结合起来，实现能自我复制的光合系统。目前的人造光合系统还需要比较复杂的制备过程（蛋白提取纯化以及微流技术）
- 将人造光合系统与更复杂的微流技术结合，比如将人造光合系统封装到双层磷脂中，从而更好的模拟细胞的双层膜结构，与天然系统中的跨膜信号转导更有效地结合起来
参考
- ^https://www.mpg.de/11384245/terrest_mikrobiologie_erb-tobias
- ^Schwander T , Von Borzyskowski L S , Burgener S , et al. A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro[J]. ence, 2016, 354(6314):900-904.
- ^https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649
- ^https://science.sciencemag.org/content/368/6491/587.full
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