NC | 陕西科技大学贺斌/朱兴开发新型的人造树叶

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-06-16 21:42

正文

开发人造树叶来解决二氧化碳对环境的负担，对于推进我们未来的零碳排放（Net Zero Future）至关重要。

2024年6月8日，陕西科技大学贺斌及朱兴共同通讯在 Nature Communications 在线发表题为“ Artificial cellulosic leaf with adjustable enzymatic CO ₂ sequestration capability ”的研究论文，该研究介绍了 EcoLeaf，一种模仿天然叶子特征的人造叶子。它利用可见光作为唯一的能量来源，协调控制气孔的扩张和收缩以及叶柄物质的交换，以控制从大气中吸收二氧化碳的速度。

EcoLeaf具有与天然叶子相似的纤维素成分和机械强度，使其在使用过程中能够无缝融入生态系统，并在其生命结束时参与自然降解和营养循环过程。总之， EcoLeaf内的碳固存途径具有适应性，可以作为未来多种生物源碳固存途径的多功能仿生平台。

树木叶片光合作用对二氧化碳的固定作用是地球上最关键的自然过程，对维持生态平衡起着关键作用。 然而，在全球工业化进程加速的背景下，二氧化碳排放量不断增加，使光合作用负担过重，对生态平衡构成重大威胁。 在这种情况下，追求有效的碳固存的人造树叶已成为一个紧迫的问题。

第一代人造叶子主要集中在光的存在下，使用铂、钌和镍等金属催化剂催化水分解制氢。 这种反应类似于天然树叶的光合作用，将光能转化为人类可以利用的形式。然而，这第一代技术并没有起到固碳的作用，也没有解决二氧化碳排放造成的生态失衡问题。相比之下，第二代人造树叶涉及光活性集成组件的开发，通过有线和无线设置，通过沉积技术将光化学和化学催化剂沉积在半导体衬底上，如InP, ZnTe, Cu ₂ O, p-Si和封装的光伏钙钛矿。这些组件主要利用阳光作为主要能源，协调一系列氧化还原反应，共同将二氧化碳转化为有机化合物(例如，有机酸、醛、醇、烯烃、多糖)，模拟人工自然光合作用的过程。然而，现有的光电化学(PEC)系统表现出光能利用率有限、制备过程复杂以及对昂贵原材料的依赖。 此外，大多数PEC系统中使用的催化剂，包括光化学、电化学和化学催化剂，与生物催化剂相比，选择性较差，容易发生副反应，催化效率明显较低。

天然叶片光合作用的关键在于酶的催化作用。与其他催化剂相比，酶具有明显的优势，包括效率高、特异性强、反应条件温和以及可再生的绿色生物资源。随着生物技术的进步，微生物发酵可以大规模低成本地生产酶，使生物催化固定CO ₂ 成为第三代人工叶片的重点。Erb等人设计了一种模拟植物叶绿体的微流体系统，利用菠菜的囊状膜来复制光合过程。该系统实现了包括crotonyl辅酶a (CoA)、乙基丙二醇辅酶a和羟丁酸酰基辅酶a (CETCH)在内的循环过程，促进了二氧化碳的固定和随后在细胞大小的油包水液滴内的光固化反应。 这一突破标志着碳循环的重大进步，因为它利用酶作为催化剂来捕获和转化二氧化碳。

EcoLeaf的制备及其结构表征（图源自 Nature Communications ）

Cai等人采用计算途径设计实现了人工淀粉合成的热力学有利反应途径。 通过对来自31种生物的62种酶的11个模块的组装和替换，他们建立了人工淀粉合成(ASAP) 1.0酶催化代谢途径：成功地通过ASAP提高了淀粉的合成速度，超过了玉米的8.5倍，从而为二氧化碳的固定和再利用开辟了新的可能性。 然而，这些研究主要集中在人工CO ₂ 转化途径上，系统的结构和功能与天然叶片的结构和功能存在明显差异。 例如，天然叶子含有木质纤维素，这是一种天然、环保、易于降解的材料，并且能够在掉落时滋养土壤。它们还具有气孔结构，可以调节碳固存率。此外，天然叶子具有水和代谢物运输的管道，确保封存产物不会积累，并且封存反应继续不间断地进行。这些功能在实现碳循环过程中起着至关重要的作用。因此，为了实现生态平衡，开发人工碳固存途径和相应的仿生功能化平台是一个有趣而艰巨的挑战。

该研究从中国古代神话马良的故事中获得灵感，马良是一位用神笔将绘画赋予生命的画家。 研究人员将树叶画在纸上，并赋予它们天然树叶的基本功能，包括捕光、固碳、气孔调节和物质运输。这项工作包括几个关键的创新：(1)通过控制自由基接枝聚合，在纤维基体上精心构建具有光异构化特性的三维网格矩阵。在这个基质中，碳酸酐酶(CA)是一种对二氧化碳封存至关重要的酶催化剂。当暴露在特定波长的光下时，三维网格矩阵分子结构中的偶氮键发生顺反异构化，从而使生态叶片具有与天然叶片相似的可调节的气孔大小特征，这是固碳所必需的。当气孔扩张时，二氧化碳可以有效地与CA相互作用，并迅速被捕获在生态系统中。当气孔收缩时，外界物质与CA之间的传递路径被阻断，更密的网目尺寸对CA酶的蛋白质结构产生结合作用，增强了稳定性和环境弹性。此外， 与天然叶片中的暗反应类似，气孔收缩有助于EcoLeaf中后续级联酶对固碳产物的催化转化更加稳定。

(2)通过制造、切割、喷涂和染色具有不同K/S值(颜色深度)的EcoLeaf，复制了天然叶子利用暗叶表皮快速有效捕获光能的能力 ，随后将其转化为热能，为主要的碳固存器官CA提供动力。(3)利用渗透差异原理，将叶柄与水连接，有利于碳产物和水的扩散和再循环。这一过程确保了CA所需的连续质子源，这是气态CO ₂ 捕获的基石，同时防止了由于叶片产物的积累而抑制CA的碳捕获能力，从而使碳捕获行为可持续。(4) EcoLeaf以天然纤维素纸为主要原料，具有较强的机械性能和生物降解性能。它代表了一种强大的，可持续的人造叶子，适合大规模生产和应用。 该研究工作旨在为人工碳封存途径提供一个仿生功能化平台，该平台可适应各种生物封存反应，提供灵活性以满足不同的使用需求。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49320-y

NC | 陕西科技大学贺斌/朱兴开发新型的人造树叶

正文

请到「今天看啥」查看全文