Gedurende miljarden jaren, micro-organismen en planten ontwikkelden het opmerkelijke proces dat we kennen als fotosynthese. Fotosynthese zet zonne-energie om in chemische energie, waardoor al het leven op aarde van voedsel en zuurstof wordt voorzien. De cellulaire compartimenten die de moleculaire machines huisvesten, de chloroplasten, zijn waarschijnlijk de belangrijkste natuurlijke motoren op aarde. Veel wetenschappers beschouwen het kunstmatig herbouwen en beheersen van het fotosyntheseproces als het 'Apollo-project van onze tijd'. Het zou het vermogen betekenen om schone energie te produceren – schone brandstof, schone koolstofverbindingen zoals antibiotica, en andere producten eenvoudigweg van licht en koolstofdioxide.

Maar hoe een leven op te bouwen, fotosynthetische cel helemaal opnieuw? De sleutel tot het nabootsen van de processen van een levende cel is om de componenten op het juiste moment en op de juiste plaats samen te laten werken. Bij de Max Planck Society, dit ambitieuze doel wordt nagestreefd in een interdisciplinair multilab-initiatief, het MaxSynBio-netwerk. Nu is het Marburg-onderzoeksteam onder leiding van directeur Tobias Erb erin geslaagd een platform te creëren voor de geautomatiseerde constructie van fotosynthetisch actieve compartimenten ter grootte van een cel, "kunstmatige chloroplasten, " die in staat zijn om met licht het broeikasgas koolstofdioxide op te vangen en om te zetten.

Microfluïdica ontmoet synthetische biologie

De Max Planck-onderzoekers maakten gebruik van twee recente technologische ontwikkelingen:ten eerste synthetische biologie voor het ontwerp en de constructie van nieuwe biologische systemen, zoals reactienetwerken voor het afvangen en omzetten van kooldioxide, en tweede microfluïdica, voor de montage van zachte materialen, zoals druppeltjes ter grootte van een cel.

"Eerst hadden we een energiemodule nodig waarmee we chemische reacties op een duurzame manier konden aansturen. Bij fotosynthese, chloroplastmembranen leveren de energie voor kooldioxidefixatie, en we waren van plan om dit vermogen te benutten ", Tobias Erb legt het uit.

Het uit de spinazieplant geïsoleerde fotosyntheseapparaat bleek robuust genoeg om met licht enkelvoudige reacties en complexere reactienetwerken aan te sturen. Voor de donkere reactie, de onderzoekers gebruikten hun eigen kunstmatige metabolische module, de CETCH-cyclus. Het bestaat uit 18 biokatalysatoren die koolstofdioxide efficiënter omzetten dan het koolstofmetabolisme dat van nature in planten voorkomt. Na verschillende optimalisatierondes, het team is erin geslaagd om het broeikasgas CO . lichtgestuurd vast te leggen ₂ in vitro.

De tweede uitdaging was de montage van het systeem binnen een afgebakend compartiment op microschaal. Met het oog op toekomstige toepassingen, het moet ook eenvoudig zijn om de productie te automatiseren. In samenwerking met het laboratorium van Jean-Christophe Baret in het Centre de Recherché Paul Pascal (CRPP) in Frankrijk, onderzoekers ontwikkelden een platform om de semi-synthetische membranen in celachtige druppeltjes in te kapselen.

Efficiënter dan de fotosynthese van de natuur

Het resulterende microfluïdische platform is in staat om duizenden gestandaardiseerde druppeltjes te produceren die individueel kunnen worden uitgerust volgens de gewenste metabolische mogelijkheden. "We kunnen duizenden identiek uitgeruste druppeltjes produceren of we kunnen specifieke eigenschappen geven aan individuele druppeltjes, " zei Tarryn Miller, hoofdauteur van de studie. "Deze kunnen door licht in tijd en ruimte worden gecontroleerd."

In tegenstelling tot traditionele genetische manipulatie op levende organismen, de bottom-up benadering biedt doorslaggevende voordelen:het richt zich op minimaal ontwerp, en het is niet noodzakelijkerwijs gebonden aan de grenzen van de natuurlijke biologie. "Het platform stelt ons in staat om nieuwe oplossingen te realiseren die de natuur tijdens de evolutie niet heeft onderzocht, " legt Tobias Erb uit. Naar zijn mening, de resultaten bieden een groot potentieel voor de toekomst. In hun publicatie in het tijdschrift Wetenschap , de auteurs konden aantonen dat het uitrusten van de "kunstmatige chloroplast" met de nieuwe enzymen en reacties resulteerde in een bindingssnelheid voor koolstofdioxide die 100 keer sneller is dan eerdere synthetisch-biologische benaderingen. "Op de lange termijn, levensechte systemen zouden kunnen worden toegepast op praktisch alle technologische gebieden, inclusief materiaalkunde, biotechnologie en geneeskunde - we staan ​​nog maar aan het begin van deze opwindende ontwikkeling." de resultaten zijn een nieuwe stap in de richting van het overwinnen van een van de grootste uitdagingen van de toekomst:de steeds toenemende concentraties van atmosferische kooldioxide.