中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 光合作用是植物利用太陽光能，以?CO₂和水為原料，合成碳水化合物的生物物理、生物化學過程。光合作用為人類提供糧食、能源，同時也是地球生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)和水循環(huán)中的關(guān)鍵一環(huán)。光合作用對人類社會的重要性，使得對其的研究及應用一直代表著人類探究自然、改造自然的最前沿。當前，隨著基因組學、基因組編輯及合成技術(shù)、計算能力的快速發(fā)展，一個全新的合成生物學研究模式正在形成：一方面，可以設(shè)計并制造全新代謝、結(jié)構(gòu)及調(diào)控模式，創(chuàng)制新生物學功能；另一方面，利用該模式為生命科學基礎(chǔ)研究提供全新研究材料及視角，從而檢驗當前生命科學的基本理論及假設(shè)。光合作用合成生物學在這個多學科融合的大背景下應運而生。光合作用合成生物學的實質(zhì)是利用光合作用基本原理，整合多學科理論、技術(shù)方法，通過理論設(shè)計、工程改造及人工進化等手段，創(chuàng)建新型光合系統(tǒng)，為社會創(chuàng)制更好的糧食、能源、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能供給方式，并為光合作用研究提供新材料及資源，提高人類認識光合作用、利用光合作用的能力。

我國及國際光合作用合成生物學研究現(xiàn)狀

歷史上，我國在光合作用基礎(chǔ)研究上曾經(jīng)作出重大貢獻。早在?20?世紀?60—70?年代，我國集中開展了光合作用光能磷酸化的機理研究，提出在?ATP?合成過程中需要有高能態(tài)存在，支持了?ATP?合成過程中的電化學勢梯度學說；同時，中國科學院植物生理研究所殷宏章等在?20?世紀?60?年代就認識到冠層光合作用效率對產(chǎn)量有重大貢獻，并系統(tǒng)開展其定量研究。近年來，我國在光合作用光反應色素蛋白復合體的結(jié)構(gòu)與功能、C₄光合作用等領(lǐng)域、Rubisco?結(jié)構(gòu)與功能、光合作用光系統(tǒng)調(diào)控及建成等研究領(lǐng)域獲得較大進展。然而，整體而言，我國光合作用研究與美國相比，研究規(guī)模及水平仍存在較大差距。對?1997—2017?年光合作用相關(guān)研究的?SCI?論文進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，美國在光合作用領(lǐng)域的研究數(shù)量及質(zhì)量都占世界首位，其?10?年論文量為?22?312?篇，占該領(lǐng)域世界總文章量的?26.04%；ESI?高水平論文量?521?篇，占?ESI?高水平論文量?1?201?篇的?43.38%；發(fā)表在?Nature、Science、Cell（CNS）三大刊的論文量為?247?篇，占?CNS?論文量?403?篇的?61.29%。1997—2017?年光合作用領(lǐng)域?qū)＠暾埩恐袊?2?102?件）超過美國（4?288?件）排名世界第一，但專利強度為?5?分及以上的專利數(shù)量，美國（1?025?件）排名世界第一，中國（654?件）排名第二。

在光合作用合成生物學領(lǐng)域中，近年來國際相關(guān)研究團隊獲得長足發(fā)展。尤其是以比爾-梅琳達蓋茨基金會支持的國際?C₄水稻項目、國際以?C₃改良為核心的?RIPE?項目為支點，當前國際上已經(jīng)建立了多個光合作用合成生物學研究高地，建立了高度合作的國際研究團隊，創(chuàng)建了開展光合作用合成生物學研究的關(guān)鍵工具、平臺及資源，并取得重大進展。與此同時，以色列威茲曼研究院在自養(yǎng)大腸桿菌創(chuàng)建方面獲得長足進展，實現(xiàn)了利用丙酮酸支持大腸桿菌自養(yǎng)生存，為自養(yǎng)型工業(yè)微生物建成跨出實質(zhì)性一步。

在光合作用合成生物學研究領(lǐng)域，我國科學家也經(jīng)過多年的努力，在幾個研究領(lǐng)域中占據(jù)國際領(lǐng)先或者齊平的地位。首先，在國家相關(guān)經(jīng)費尤其是中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持下，我國建立了從分子、細胞器、細胞、葉片、冠層乃至整個個體的系列光合作用系統(tǒng)模型，對于指導?C₃、C₄及全新光合途徑的改造起到支撐作用；近期又連同國際同行，創(chuàng)立了專業(yè)學術(shù)雜志?in silico Plant，這為我國在該領(lǐng)域持續(xù)開展國際領(lǐng)先性的研究、確立標準制定權(quán)奠定了基礎(chǔ)。同時，我國也在光呼吸支路改造、藻膽體重建、光合特定基因改造等方面開展了研究。

同時，我國研究人員也建立了以藍細菌等單細胞藻為底盤，生產(chǎn)各類能源及高附加值分子的研究體系及平臺，樹立了以微擬球藻為代表的工業(yè)微藻合成生物學模式物種，建立了能源微藻合成生物學國際研究合作網(wǎng)絡(luò)，為深入理解光合作用的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制，以及設(shè)計與構(gòu)建高效、低成本、可規(guī)模化部署的光合產(chǎn)能細胞工廠奠定了基礎(chǔ)。同時，結(jié)合化學、材料和合成生物學等方面的技術(shù)，國際上正在開展有機/無機人工光合復合催化體系，這代表著人工光合領(lǐng)域的一個研究熱點。這種具有廣闊前景的人工光合作用體系結(jié)合了生物系統(tǒng)的催化特異性，以及無機納米材料的高光電轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點。其中蛋白酶-納米材料體系和活細胞-納米材料體系是該領(lǐng)域中較為常見的兩種方法。以活細胞-納米材料體系為例，這個體系巧妙地結(jié)合了細菌體內(nèi)的代謝通路和無機材料提供代謝通路所需的還原力，從而通過模擬光合作用產(chǎn)生具有高附加值的產(chǎn)物。例如，日本科學家利用光能夠讓特定半導納米材料產(chǎn)生電子，電子通過甲基紫精跨膜傳遞到細胞體內(nèi)，能驅(qū)動含有氫化酶的細菌連續(xù)不斷地產(chǎn)生氫氣。美國科學家則通過?CdS?量子點在細菌的表面原位沉積：在光照條件下，電子傳遞到細菌體內(nèi)提供還原力來促進?Wood-Ljungdahl?循環(huán)的進行；最后，通過模擬人工光合作用，能直接將?CO₂代謝生成乙酸，實現(xiàn)了光能到化學能的轉(zhuǎn)化和存儲。