人工光合作用将带来粮食与能源生产革命

生物探索, 2012-02-20

在美国科学促进协会(American Association for the Advancement of Science, AAAS)的年会上，一项由生物技术与生物科学研究委员会(BBSRC)资助的研究报告了其在提高自然光合作用以生产新能源及提高粮食产量方面的成果。

光合作用可以让生物系统获取太阳能用来生产食物能能源。这是地球上最为重要的一个生物过程，但是其效率并没有完全发挥。在许多重要的作物中，这种自然的交易产生的效果还不到1%，因此还存在巨大的提升空间。

来自英国和美国的科学家目前就正在致力于提高光合作用在粮食与能源生产上的作用的研究。

BBRSC的首席执行官Douglas Kell教授解释了资助该研究的重要原因：“我们正面临着不得不解决的全球性粮食与能源安全的挑战。提高植物的光合作用，或者在植物外部利用合成生物学可带来巨大的效益。”

格拉斯哥大学的Richard Cogdell教授利用合成生物学技术发明一种人造叶片，可以将太阳能转化为液体燃料。

Cogdell教授解释说：“太阳能是免费的，但是要利用起来却比较麻烦。我们可以利用太阳电池板来发电，但这是断断续续且难以储存的。我们现在正在做的事情就是收集并储存太阳能，然后等到最需要的时候再利用。”

研究人员希望能利用关于光合作用类似的化学，只不过该反应是在人工系统中进行。植物吸收太阳能，集中利用从而把水分解成为氢气和氧气。氧气被释放出去而氢气则被锁定转变为燃料。最新的研究目的就是使用合成生物学来复制这一过程。

Cogdell教授补充说：“我们正在设计一种（与光合作用）类似的化学系统，可以更大规模地复制光合作用过程。这种人工的叶片可以产生太阳能收集器来生产燃料，而不是电能。”

这种人工系统还可以提高自然光合作用效果，以更好的利用太阳能。弄清楚光合作用的基本反应后，则有可能得到更高的能量转换效率。

最终，该研究可以成功地开发可持续发展的碳中性经济，阻止因为化石燃料燃烧造成的空气中二氧化碳水平的升高。

“增压型”光合作用

剑桥大学的Howard Griffiths通过利用一种叫做RuBiCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的酶来增强光合作用的潜能。这种酶是光合作用中的关键性酶，使植物可以使用大气中的二氧化碳富能量分子，例如简单的糖类。

一些植物进化出了就像生物涡轮增压器的机制，可以将二氧化碳浓缩聚集在酶的附近以进行最佳的光合作用。这提高了生长和产量。Griffiths教授的研究就是深入研究这类“涡轮增压器”以期将来可整合到农作物中以提高产量。

Griffiths教授解释说：“我们希望提高RuBisCO在农作物中的运行效率，我们相信将来可以在海藻中找到答案。海藻的涡轮增压器包含在一个叫做海藻淀粉核的结构中，这种结构可以利用到农作物的光合作用结构中。通过结合海藻与植物的光合作用来提高光合作用效率，我们可以看到在农业产量及可再生食物上的增长。”捕获“浪费”的太阳能

亚利桑那州立大学的Anne Jones教授正在寻找其他的方法来确保太阳能不被浪费。

蓝细菌（可以通过光合作用获取能量的细菌）所吸收的太阳能要多于它们的利用量。Jones教授的研究试图开发一种机制，通过将其转变为一种产燃料细胞从而可以将这种过量、浪费的能量利用起来。

Jones教授说：“我们希望将一种细菌中的光合作用组织连接到另一种细菌的产燃料机制上去。从而我们可以将过量的能量直接转化为燃料。将来可以看到两套生物系统共同作用将太阳能转化为燃料。”

一个简单的类比就是发电厂与电网没有进行连接。而不连接的话，多余的能量则浪费掉了。研究人员希望创造一种连接，将这种能量转变为燃料。这种连接可以通过像头发一样的、称为菌毛的可导电细丝来实现。

Jones教授解释说：“某些细菌可以自发地长出可导电的菌毛。这些菌毛可开发用与在我们所使用的细菌间转移能量。”