與自然界的光合生物相比，可編輯的人工光合細胞能夠通過理性設計，將CO2更高效地轉化為可定制的高附加值燃料和化學品。此外，人工光合細胞是最終模擬天然光合生物組織形態(tài)和特征的關鍵，為構建實際應用的器件開辟了道路。然而，這一概念的實現(xiàn)關鍵在于對CO2還原酶催化具有關鍵作用的輔因子，但受多種輔因子再生能力的限制。近日，中國科學技術大學熊宇杰/高超研究團隊創(chuàng)制了包含生物-非生物雜化能量模塊的人工光合細胞，增強了具有生物活性的多種輔因子的再生能力，為可編輯的人工光合細胞提供了更通用的平臺。這一人工光合細胞可以通過與多樣化的還原酶耦合來實現(xiàn)可編輯能力，實現(xiàn)了可定制化的CO2轉化。相關研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature?Communications）上。

人工光合細胞由能量模塊、生物催化模塊和輔因子三部分組成。典型的光合作用過程始于能量模塊的光捕獲，為能量豐富的輔因子提供電子。這些輔因子隨后為生物催化模塊提供動力。將CO2轉化為所需碳基產(chǎn)物的關鍵在于人工光合細胞內的生物催化模塊，即還原酶。為了發(fā)揮生物酶的催化能力，不同的CO2轉化酶需要不同的富含能量的輔因子。其中，典型的是NADPH、NADH和ATP。當輔因子為生物催化還原酶提供動力時，它們會被氧化，進而失去長期工作的活性。為此，人工光合細胞需要再生多種輔因子，進而將不同的還原酶裝載到人工光合細胞中，以實現(xiàn)CO2轉化產(chǎn)品的定制。然而，開發(fā)出能夠實現(xiàn)多種輔因子高效再生的光酶平臺頗具挑戰(zhàn)性。該研究設計了基于生物類囊體和無機量子點雜化的高效能量模塊。這一設計促進了質子耦合電子轉移，在不需要外部物質補充的情況下顯著增強了具有生物活性的NADPH、NADH和ATP輔因子的再生能力。這種生物-非生物雜化平臺可以進一步與NADPH、NADH和ATP依賴的多種CO2還原酶耦合，將CO2選擇性地轉化為碳基產(chǎn)品。該研究通過微流控技術裝載能量模塊、生物酶和輔因子，構建了人工光合細胞，實現(xiàn)了可控的CO2轉化。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目、國家杰出青年科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）和中國科學院青年創(chuàng)新促進會等的支持。