光合作用是綠色植物和部分藻類吸收光能，把二氧化碳和水合成有機物，同時釋放氧氣的過程。綠色植物光合作用主要發(fā)生在葉綠體類囊體和基質(zhì)中，包括一系列光物理、光化學(xué)和生理生化的復(fù)雜過程。自然光合作用中，由太陽能到最終生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化效率比較低，藻類植物低于7%，高等植物約為1%。

人工葉綠體技術(shù)就是從結(jié)構(gòu)和功能上模仿植物葉綠體的光合作用，以便模擬再現(xiàn)、提高葉綠體的光合效率，實現(xiàn)既可以收集光能，又可以綠色高效合成所需的有機物等。目前，科技界已經(jīng)在人工葉綠體技術(shù)多個前沿方向上取得較大突破。

模擬光合磷酸化過程。通過分子組裝技術(shù)，我國科研團隊先后在2016年、2019年實現(xiàn)了三磷酸腺苷合酶和光系統(tǒng)II兩種蛋白的共組裝、含光酸分子多層膜疊狀結(jié)構(gòu)及光系統(tǒng)II與三磷酸腺苷合酶共組裝，實現(xiàn)了“最接近真實葉綠體結(jié)構(gòu)和功能的人工合成”。

重新設(shè)計光合固碳途徑。2016年，德國科研人員成功構(gòu)建了一種與天然固碳循環(huán)不同的、全人工設(shè)計合成的固碳CETCH循環(huán)，將其與菠菜葉綠體類囊體薄膜結(jié)合在一起，封裝到直徑約為100微米的液滴中，組成了“半合成光合系統(tǒng)”。隨后，在2020年，德法兩國科研人員利用合成生物學(xué)與納米微流控技術(shù)，又研發(fā)出具有葉綠體功能、細(xì)胞大小的液滴，以及自動化生產(chǎn)具有不同功能人工葉綠體的組裝平臺。

改造光合微生物打造“光合細(xì)胞工廠”。光合微生物廣泛分布，具有固氮、產(chǎn)氫、固碳和脫硫等多種生理生化功能，同時有易繁殖培育、易人工變異、耐性強等優(yōu)點。以光合微生物的光合作用體系為基礎(chǔ)，經(jīng)過分子遺傳改良的天然光合微生物混菌體系在污水處理、土壤修復(fù)、高價值化學(xué)品合成等領(lǐng)域展示出巨大價值。我國研究人員已經(jīng)建立了以藍(lán)細(xì)菌等單細(xì)胞藻為底盤，生產(chǎn)各類能源及高附加值分子的研究體系及平臺。

有機/無機人工復(fù)合催化體系。人工半導(dǎo)體光催化劑具有消光系數(shù)高、吸光范圍可調(diào)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、反應(yīng)壽命長等優(yōu)點。將光合作用酶、類囊體膜、光合細(xì)菌及其他光合結(jié)構(gòu)單元與人工光合作用單元串聯(lián)起來，組裝成自然—人工光合雜化體系，可實現(xiàn)優(yōu)勢互補、相互促進。目前，蛋白酶—納米材料體系和活細(xì)胞—納米材料體系兩種技術(shù)路徑進展迅速。

光合作用廣泛存在于自然界的土壤、水田、沼澤、湖泊和江海等處，每年地球上通過光合作用合成的有機物約為2200億噸，相當(dāng)于人類每年所需能耗的10倍。未來人工葉綠體技術(shù)走向成熟乃至商業(yè)化，至少有三方面的重大影響。首先，目前主要作物稻麥品種的光能利用效率僅為1%，而作物光能利用效率理論上可達(dá)5%。人工葉綠體技術(shù)將加速人類認(rèn)識光合作用科學(xué)機理，改造提升農(nóng)作物的光合作用效率，增加全球農(nóng)作物的產(chǎn)量。其次，利用人工葉綠體技術(shù)可以高效提供環(huán)境友好的新能源，更好捕獲環(huán)境中的CO<font color = "#000000" face = "calibri">2<font color = "#000000" face = "宋體">、加快“碳中和”進程，為解決能源問題和碳排放問題提供新技術(shù)方案。再次，人工葉綠體技術(shù)有望變革精細(xì)化學(xué)品、藥品制造方式，清除環(huán)境特定污染物，且具有低能耗維持高效運行、安全性高等諸多優(yōu)點，有利于實現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

總體上，人工葉綠體技術(shù)的研發(fā)仍然集中在基礎(chǔ)研究層面上，還有理論機理、應(yīng)用基礎(chǔ)、材料組件等許多關(guān)鍵科學(xué)問題亟待解決。例如，光合作用能量傳遞效率高達(dá)94%—98%，光合作用反應(yīng)中心進行的光能轉(zhuǎn)換的量子效率幾乎是100%。在常溫常壓下，當(dāng)前科學(xué)技術(shù)所開發(fā)的人工葉綠體工廠遠(yuǎn)未能達(dá)到上述水平。將當(dāng)前光吸收激發(fā)和化學(xué)轉(zhuǎn)化相互分離的兩個過程直接耦合，有助于指導(dǎo)人工葉綠體系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)更高效率的光捕集和光能轉(zhuǎn)化。從原子和分子水平逐步深入認(rèn)識光/電轉(zhuǎn)化、傳輸過程、熱力學(xué)、動力學(xué)和降解機理，對光合膜蛋白復(fù)合物進行空間結(jié)構(gòu)解析，則有助于設(shè)計、開發(fā)高性能和長壽命的人工葉綠體系統(tǒng)組件。

目前，國際科技界都將人工葉綠體技術(shù)作為重要科技攻關(guān)方向，加快科技布局。美國加州理工學(xué)院和勞倫斯伯克利國家實驗室牽頭成立的“人工光合系統(tǒng)聯(lián)合研究中心”、歐盟未來和新興技術(shù)旗艦計劃“面向循環(huán)經(jīng)濟的太陽能利用”、我國自然科學(xué)基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心等，有望為人工葉綠體技術(shù)未來發(fā)展開辟出一條新路。