第一作者：王玮琛

通讯作者：韩晓军教授、李超、李书彬、张祥祥

通讯单位：哈尔滨工业大学

论文DOI：doi.org/10.1002/anie.202421827

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本文模拟叶绿体的工作机制，自下而上构建出人造光合细胞，实现了光控固碳。将ATP合酶和光系统II（PSII）纯化并重组到磷脂囊泡膜上，制备出光合细胞器。引入藻蓝蛋白增强其光收集能力，提高光能利用效率，提高ATP的产量。将异柠檬酸脱氢酶（IDH）、乌头酸酶（ACO）和ATP柠檬酸裂解酶（ACL）级联，建立了碳固定途径，使α-酮戊二酸（5碳）转化为乙酰辅酶A（2碳）和草酰乙酸（4碳）。将光合细胞器、藻蓝蛋白和碳固定途径成功包封到巨型磷脂囊泡内，构建出人造光合细胞。在光照下，人造光合细胞成功将α-酮戊二酸转化为乙酰辅酶A和草酰乙酸。光反应能量供应模块与碳固定酶级联模块的耦合实现了光控固碳，模拟了叶绿体的功能。其产物乙酰辅酶A是细胞合成代谢中合成胆固醇和脂肪酸的关键中间体，对后续细胞代谢的研究具有重要的意义。该成果不仅显著提升了光合细胞器的能量转化效率，还在人造细胞内部实现了光控固碳，为自下而上构建具有高度复杂代谢网络的自供能人造细胞奠定了基础。

背景介绍

利用自下而上的策略构建能够模拟细胞结构和功能的人造细胞，有助于理解细胞的工作机制。在叶绿体中，光合磷酸化过程包括光反应和固碳反应，光反应阶段产生的ATP为固碳反应提供能量。人造细胞领域内为模拟叶绿体功能，通过自下而上的方式将ATP合酶与光敏质子泵重组到磷脂囊泡上，利用光照产生质子梯度差，推动ATP合酶旋转产生ATP。然而，自下而上重组光合细胞器的光合效率低，所产生的ATP不足以推动后续复杂反应，如何提高光合细胞器的能量供应效率一直是领域内的一个挑战。目前，通过微流控方法在液滴中包封类囊体，与CETCH循环耦合产生乙醛酸，或耦合依赖ATP的固氮酶将CO ₂ 转化为甲烷。然而，利用光合细胞器合成ATP并参与到复杂的固碳代谢途径的研究还鲜有报道。

基于以上两个挑战，本文将ATP合酶和光系统II（PSII）重组到磷脂囊泡（LUVs）上，制备光合细胞器，加入藻蓝蛋白（PC）提高了ATP的产量。通过异柠檬酸脱氢酶（IDH）、乌头酸酶（ACO）和ATP柠檬酸裂解酶（ACL）的级联，建立了从α-酮戊二酸到乙酰辅酶A和草酰乙酸的碳固定途径。构建了含有光合细胞器、藻蓝蛋白和固碳途径的人造光合细胞，实现光控固碳。本文为构建具有更复杂代谢网络的人造细胞奠定了基础。

本文亮点

(1) 将ATP合成酶和PSII重组到磷脂膜上制备出光合细胞器。在光合细胞器中加入藻蓝蛋白后，增强光捕获能力，ATP的产量显著增加。

(2) 采用异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶和ATP柠檬酸裂解酶这三个酶建立固碳途径，将α-酮戊二酸转化为草酰乙酸和乙酰辅酶A，并实现碳固定。

(3) 将光合细胞器与固碳途径耦合，光合细胞器产生的ATP驱动固碳途径，使α-酮戊二酸转化为草酰乙酸和乙酰辅酶A。

(4) 将光合细胞器、藻蓝蛋白和固碳途径包封进巨型磷脂囊泡（GUV）中构建了人造细胞，在光照下将人造细胞内α-酮戊二酸转化为乙酰辅酶A和草酰乙酸。实现了人造细胞内的光驱动固碳。

图文解析

图1展示了文章的整体思路。将PSII和ATP合酶重组在磷脂膜上构建光合细胞器（图1a），光照PSII裂解水产生质子，在磷脂膜内外形成质子梯度差，推动ATP合酶旋转在磷脂膜外合成ATP。将异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶和ATP柠檬酸裂解酶级联构建固碳途径，将α-酮戊二酸转化为乙酰辅酶A和草酰乙酸（图1c）。将光合细胞器和固碳途径包封进巨型磷脂囊泡中（GUV）构建出人造光合细胞（图1b）。在光照下，利用光合细胞器产生的ATP驱动固碳途径，实现光驱动碳固定。

图1 在人造细胞中利用光合细胞器实现光驱动碳固定的示意图

图2从菠菜中提取了ATP合酶和PSII。SDS-PAGE凝胶电泳图（图2a和图2c）证实二者结构完整。将ATP合酶重组到囊泡膜上，测定了ATP合酶的活性（图1b）。在光照下，研究了PSII的电子传递能力（图1d）和产氧能力（图1e）。藻蓝蛋白与PSII之间存在能量共振转移（图1f），显著增加PSII的产氧能力（图1g）。综上，所提纯的ATP合酶与PSII具有高活性，引入藻蓝蛋白使PSII的光合效率增加。

图2 ATP合酶和PSII的特性研究

图3制备了光合细胞器。光照下，光合细胞器可以合成ATP（图3b），并具有光控性能（图3c）。通过调节溶液的pH值（图3c）以及PSII和ATP合酶的比例（图3d），优化了光合细胞器合成ATP的产量。藻蓝蛋白的加入，使得光合细胞器ATP合成能力增强了2.51倍。

图3 光合细胞器合成ATP的研究

图4在溶液中构建了IDH-ACO-ACL三个酶催化的固碳途径。证明三个酶具有活性可以推动反应进行（图4b），级联后增加了固碳效率（图4c）。调整三个酶的比例及溶液pH值，得到最佳的固碳效率（图4d-f）。利用高效液相色谱检测固碳反应途径中的代谢产物（图4g），随着反应时间的增加，草酰乙酸的含量不断增加，最终在反应15 min后达到平衡（图4h）。

图4 碳固定途径的构建

图5实现了具有光控固碳功能的人造光合细胞的构建。为验证光合细胞器在人造细胞内合成ATP的能力，将光合细胞器和藻蓝蛋白包封进入巨型磷脂囊泡（GUVs）中（图5a和5b），通过优化光合细胞器的浓度来确定在ATP的产量（图5c）。将光合细胞器、藻蓝蛋白及固碳途径涉及的三个酶及相关底物包封到GUVs中制备出人造光合细胞（图5d）。与黑暗环境对比，光照60 min后，NADPH的蓝色荧光强度下降，证明了光合细胞器与固碳途径的耦合成功，并在光照下驱动了碳固定（图5e）。通过高效液相色谱测得人造光合细胞产生了426.26±15.66 μM乙酰辅酶A（图5f）和412.13±10.21 μM草酰乙酸（图5g）。

图5 在人造细胞内利用光合细胞器实现光驱动碳固定

总结与展望

本文构建了一个具有光合细胞器、藻蓝蛋白（PC）和碳固定途径的人造光合细胞。在光合细胞器中加入藻蓝蛋白，使ATP的产量增加了2.51倍。用三种酶（IDH、ACO和ACL）建立碳固定途径，使α-酮戊二酸中生成草酰乙酸和乙酰辅酶A，并实现了碳固定。乙酰辅酶A是细胞合成代谢中关键的中间体，后续可用于磷脂的合成，在人造细胞内部实现光控磷脂的合成，为进一步实现具有自主生长能力的人造细胞铺平道路。

课题组介绍

韩晓军教授： 哈工大长聘教授、 博士生导师、 国家级高层次人才、教育部教学指导委员会委员、英国皇家化学会会士、 化工与化学学院化学系主任。主持承担国家自然科学基金等基金项目 30 多项。迄今在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等刊物上发表论文 220多篇,获授权国家发明专利41项，具体详见个人主页：http://homepage.hit.edu.cn/pages/xiaojunhan

课题组的研究方向为生物分析、人造细胞、 类器官、生物传感器、癌症诊疗、污染物检测与降解。

课题组招收硕士、博士研究生以及招聘助理教授、博士后。

热情欢迎有志从事科研工作的同学加盟，请将个人简历发给韩老师。联系方式 : [email protected]

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