光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

光合作用是植物利用太阳光能，以CO2和水为原料，合成碳水化合物的生物物理、生物化学过程。光合作用为人类提供粮食、能源，同时也是地球生态系统中碳循环和水循环中的关键一环。光合作用对人类社会的重要性，使得对其的研究及应用一直代表着人类探究自然、改造自然的最前沿。当前，随着基因组学、基因组编辑及合成技术、计算能力的快速发展，一个全新的合成生物学研究模式正在形成：一方面，可以设计并制造全新代谢、结构及调控模式，创制新生物学功能；另一方面，利用该模式为生命科学基础研究提供全新研究材料及视角，从而检验当前生命科学的基本理论及假设。光合作用合成生物学在这个多学科融合的大背景下应运而生。光合作用合成生物学的实质是利用光合作用基本原理，整合多学科理论、技术方法，通过理论设计、工程改造及人工进化等手段，创建新型光合系统，为社会创制更好的粮食、能源、生态系统服务功能供给方式，并为光合作用研究提供新材料及资源，提高人类认识光合作用、利用光合作用的能力。

1 我国及国际光合作用合成生物学研究现状

历史上，我国在光合作用基础研究上曾经作出重大贡献。早在20世纪60—70年代，我国集中开展了光合作用光能磷酸化的机理研究，提出在ATP合成过程中需要有高能态存在，支持了ATP合成过程中的电化学势梯度学说[]；同时，中国科学院植物生理研究所殷宏章等在20世纪60年代就认识到冠层光合作用效率对产量有重大贡献，并系统开展其定量研究。近年来，我国在光合作用光反应色素蛋白复合体的结构与功能[-]、C4光合作用等领域[, ]、Rubisco结构与功能[]、光合作用光系统调控及建成[, ]等研究领域获得较大进展。然而，整体而言，我国光合作用研究与美国相比，研究规模及水平仍存在较大差距。对1997—2017年光合作用相关研究的SCI论文进行统计发现，美国在光合作用领域的研究数量及质量都占世界首位，其10年论文量为22 312篇，占该领域世界总文章量的26.04%①；ESI高水平论文量521篇，占ESI高水平论文量1 201篇的43.38%；发表在Nature、Science、Cell（CNS）三大刊的论文量为247篇，占CNS论文量403篇的61.29%。1997—2017年光合作用领域专利申请量中国（12 102件）超过美国（4 288件）排名世界第一，但专利强度为5分②及以上的专利数量，美国（1 025件）排名世界第一，中国（654件）排名第二。

① 检索日期：2018-10-08；数据库更新日期：2018-10-05；论文类型限定为Article+Review。

② 利用Innography专利数据库进行检索，检索日期：2018-10-09。专利强度（strength）是该数据库特有的、衡量专利质量的一个指标，该指标是一个复合指标，涉及10多个影响因素，分数越高，专利价值越高，总分是10分。

在光合作用合成生物学领域中，近年来国际相关研究团队获得长足发展。尤其是以比尔-梅琳达盖茨基金会支持的国际C4水稻项目、国际以C3改良为核心的RIPE项目为支点，当前国际上已经建立了多个光合作用合成生物学研究高地，建立了高度合作的国际研究团队，创建了开展光合作用合成生物学研究的关键工具、平台及资源，并取得重大进展[]。与此同时，以色列威兹曼研究院在自养大肠杆菌创建方面获得长足进展，实现了利用丙酮酸支持大肠杆菌自养生存[]，为自养型工业微生物建成跨出实质性一步。

在光合作用合成生物学研究领域，我国科学家也经过多年的努力，在几个研究领域中占据国际领先或者齐平的地位。首先，在国家相关经费尤其是中国科学院战略性先导科技专项的支持下，我国建立了从分子、细胞器、细胞、叶片、冠层乃至整个个体的系列光合作用系统模型[]，对于指导C3、C4及全新光合途径的改造起到支撑作用；近期又连同国际同行，创立了专业学术杂志in silico Plant，这为我国在该领域持续开展国际领先性的研究、确立标准制定权奠定了基础。同时，我国也在光呼吸支路改造、藻胆体重建、光合特定基因改造等方面开展了研究[-]。

同时，我国研究人员也建立了以蓝细菌等单细胞藻为底盘，生产各类能源及高附加值分子的研究体系及平台[-]，树立了以微拟球藻为代表的工业微藻合成生物学模式物种[-]，建立了能源微藻合成生物学国际研究合作网络，为深入理解光合作用的网络调控机制，以及设计与构建高效、低成本、可规模化部署的光合产能细胞工厂奠定了基础。同时，结合化学、材料和合成生物学等方面的技术，国际上正在开展有机/无机人工光合复合催化体系，这代表着人工光合领域的一个研究热点。这种具有广阔前景的人工光合作用体系结合了生物系统的催化特异性，以及无机纳米材料的高光电转换效率等优点。其中蛋白酶-纳米材料体系和活细胞-纳米材料体系是该领域中较为常见的两种方法。以活细胞-纳米材料体系为例，这个体系巧妙地结合了细菌体内的代谢通路和无机材料提供代谢通路所需的还原力，从而通过模拟光合作用产生具有高附加值的产物。例如，日本科学家利用光能够让特定半导纳米材料产生电子，电子通过甲基紫精跨膜传递到细胞体内，能驱动含有氢化酶的细菌连续不断地产生氢气[]。美国科学家则通过CdS量子点在细菌的表面原位沉积：在光照条件下，电子传递到细菌体内提供还原力来促进Wood-Ljungdahl循环的进行；最后，通过模拟人工光合作用，能直接将CO2代谢生成乙酸，实现了光能到化学能的转化和存储[, ]。

2 我国在光合作用合成生物学研究方面的短板