کلروپلاست‌های مصنوعی نور خورشید و دیاکسیدکربن را به ترکیبات آلی تبدیل می‌کنند.
درست مثل مکانیکی که قطعات موتور قدیمی را برای ساختن موتور جدید روی هم سوار می‌کند، زیست شناسان کلروپلاست‌های مصنوعی جدیدی را ساخته‌اند که قلب موتور فتوسنتز است. دانشمندان سیستم‌های به دام انداز نور را از گیاه اسفناج با آنزیم‌هایی از 9 بافت مختلف ترکیب کردند و کلروپلاست مصنوعی ساختند که در خارج از سلول‌ها فعالیت دارد، نور خورشید را به دام می‌اندازد و باعث تولید انرژی برای تبدیل دیاکسیدکربن (CO2) به مولکول‌های پر انرژی می‌شود. محققان امیدوارند که سیستم فتوسنتز پیشرفته آن‌ها، دیاکسیدکربن را مستقیماً به مواد شیمیایی مفید تبدیل کند یا با مهندسی ژنتیک به گیاهان کمک کند تا 10 برابر بیشتر از حالت طبیعی دیاکسیدکربن اتمسفر را جذب کنند. فرانسیس آرنولد مهندس شیمی کالیفرنیا می‌گوید: “این موضوع بسیار جذاب است. برنامه‌ریزی مجدد سیستم‌های زیست‌شناسی می‌تواند تبدیل مستقیم دیاکسیدکربن به مواد شیمیایی مفید را بهبود ببخشد.”
فتوسنتز یک پروسه دو مرحله‌ای است. در کلروپلاست‌ها، مولکول‌های کلروفیل نور خورشید را جذب کرده و انرژی اضافی را به مولکول‌های واسطه منتقل می‌کنند که از آن برای تولید آدنوزین‌تری‌فسفات (ATP) و نیکوتین‌آمید‌آدنین‌دی‌نوکلئوتیدفسفات (NADPH) استفاده می‌شود. مجموعه‌ای از آنزیم‌های دیگر در یک چرخه پیچیده کار می‌کنند و از ATP و NADPH استفاده می‌کنند تا دیاکسیدکربن را از هوا گرفته و به گلوکز و سایر مولکول‌های آلی پر انرژی تبدیل کنند تا گیاه از آن برای رشد استفاده کند.
تبدیل دیاکسیدکربن با آنزیمی به نام روبیسکو آغاز می‌شود که باعث می‌شود دیاکسیدکربن با یک ترکیب‌آلی کلیدی واکنش نشان دهد و زنجیره‌ای از واکنش‌های لازم برای ساخت متابولیت‌های حیاتی در گیاهان را شروع کند. توبیاس ارب، زیست شناس مصنوعی در انستیتوی ماکس پلانک، قسمت میکروبیولوژی خاک، می‌گوید: “با این‌که فتوسنتز بسیار موثر است، اما ایراداتی نیز دارد: روبیسکو بسیار آهسته عمل می‌کند؛ هر نسخه از این آنزیم می‌تواند فقط 5 تا 10 مولکول دیاکسیدکربن را در ثانیه جذب و از آن استفاده کند؛ که این موارد محدودیت سرعت در رشد سریع گیاهان را نشان می‌دهد.”
در سال 2016، ارب و همکارانش با طراحی مجموعه جدیدی از واکنش‌های شیمیایی، سعی در مطلوب‌سازی شیب عمل آن‌ها داشتند. به جای روبیسکو، آن‌ها یک آنزیم باکتریایی جایگزین کردند که می‌توانست مولکول‌های دیاکسیدکربن را جذب کند و آن‌ها را وادار به انجام واکنش به میزان 10 بار سریع‌تر کند. ترکیب 16 آنزیم دیگر از 9 موجود مختلف، باعث ایجاد یک چرخه جدید تبدیل دیاکسیدکربن به ترکیبات آلی-شیمیایی شد که چرخه CETCH نام گرفت.
اما برای شبیه‌سازی کل فرایند تابش نور آفتاب (اولین قدم)، ارب و همکارانش به اجزای کلروپلاست، به غشاءِ تیلاکوئید که مجموعه‌ای کیسه‌ای از کلروفیل و سایر آنزیم‌های فتوسنتز کننده است، روی آوردند. محققان دیگر قبلاً نشان داده بودند كه غشاء‌های تیلاكوئیدی می‌توانند در خارج از سلول‌های گیاهی عمل كنند؛ بنابراین، ارب و همکارانش غشاءِ تیلاکوئید را از سلول‌های برگ اسفناج جدا کردند و نشان دادند که مجموعه‌ای از آن‌ها نیز می‌تواند نور را جذب کرده و انرژی خود را به مولکول‌های ATP و NADPH منتقل کند. جفت شدن تيلاكوئيدهاي به دام اندازنده نور با چرخه CETCH به اين تيم اجازه داد تا با استفاده از نور، به طور مداوم دیاکسیدکربن را به يك متابوليت آلي بنام گليكولات تبديل كنند.
به منظور ادغام سیستم به دام اندازنده نور با چرخه CETCH، محققان مجبور به مبادله داخلی و خارجی برخی از آنزیم‌ها در مسیر CETCH شدند. برای بهینه‌سازی این ادغام، ارب و همکارانش با ژان کریستوفر بارت، کارشناس میکروفلوریدیک در مرکز تحقیقات پاول پاسکال همکاری کردند. تیم بارت دستگاهی را طراحی کرد که هزاران قطره آب ریز در روغن تولید می‌کند و مقادیر مختلف مجموعه غشاءِ تیلاکوئید و آنزیم‌های چرخه CETCH را به هر یک تزریق می‌کند. این روش به محققان این اجازه را می‌دهد تا با کارآمدترین دستورالعمل، گلیکولات تولید کنند. مقایسه بیشتر ترکیبات و غلظت‌های مختلف عناصر باعث می‌شود روند کارآمدتر گردد. بارت افزود این روش یکی از بهترین روش‌ها برای انجام این آزمایش است. ارب و همکارانش امیدوارند که با تغییر مجموعه آزمایشات، ترکیبات آلی دیگری را که حتی از گلیکولات نیز با ارزش‌تر هستند، مانند مولکول‌های دارویی، تولید کنند. آن‌ها امیدوارند که دیاکسیدکربن به دام افتاده را به طور مؤثر به ترکیبات آلی که گیاهان برای رشد به آن‌ها نیاز دارند، تبدیل کنند. این امر باعث انجام مهندسی ژنتیکیِ مسیر جدید فتوسنتز در محصولات زراعی می‌شود تا گونه‌های جدیدی تولید شود که بسیار سریع‌تر از انواع فعلی رشد می‌کنند و مزیتی برای کشاورزی در جهان، با وجود جمعیت در حال رشد، به حساب آیند.
