工程化光合作用与人工叶绿体

01概览与价值链

标记：[EC: USDA-APHIS SECURE & EU NGT Regulation | OECD: Bioenergy | Regulator: USDA-APHIS（美国）、EPA（美国）、NEA（中国）]

工程化光合作用与人工叶绿体重塑着每年从 CO2 固定约 120 千兆吨碳的生物学过程。 天然光合作用在大多数 C3 作物中仅将约 1-2% 的入射阳光转化为生物质，而 C4 植物可达 约 4-6%；本方向通过设计更快的碳固定并在活细胞之外构建光驱动 CO2 固定系统来抬升这一 上限。Living Carbon 的 PagPIP1;2 过表达提高了杨树的叶片 CO2 导度、光合作用与生物量 （Industrial Crops and Products，2026）；IRRI 在转基因水稻中验证了 C4 光合途径通量 （bioRxiv，2026）；马克斯·普朗克研究所设计的 CETCH 循环以一条超越卡尔文-本森循环的 全新途径固定 CO2；而 2026 年中国科学院的突破在自然阳光下将 CO2 与水高效转化为能源。

工程化光合作用与人工叶绿体的关键方向：

1. 植物强化光合作用（Enhanced Photosynthesis）： 过表达 CO2 导度与碳储存基因以提升生物量与碳封存——Living Carbon 的 PagPIP1;2 与树皮贮藏蛋白杨树。
2. C4 光合工程（C4 Rice Engineering）： 将更高效的 C4 途径植入 C3 水稻——IRRI 的 C4 水稻计划与转基因 C4 通量水稻。
3. 全新 CO2 固定（CETCH Cycle）： 设计超越天然速率的合成 CO2 固定酶与人工叶绿体细胞器——马克斯·普朗克研究所 Tobias Erb 团队与 Photosynthesis 2.0。
4. 人工光合与仿生叶片（Artificial Photosynthesis）： 全合成光驱动 CO2 还原与生物电化学混合体系——Forschungszentrum Jülich 太阳燃料、Harvard 仿生叶片与 CAS 阳光突破。

行业价值链

[阳光 + CO2] ──> [工程植物 / 叶绿体] ──> [固定碳]
                        │
               （酶促 / 电催化）
                        │
                        ▼
[生物肥料] <─── [回收产物] <─────┘

价值链层级

该行业的跨领域技术：

• 合成 CO2 固定循环（CETCH Cycle）： 马克斯·普朗克研究所设计的巴豆酰辅酶 A 羧化酶途径在无细胞人工叶绿体中固定 CO2，速率快于天然卡尔文-本森循环。
• 光伏-电池-电化学混合体系（PV-EC Solar Fuels）： Forschungszentrum Jülich 将光伏、电池缓冲与 CO2 还原电池耦合，用阳光与 CO2 制取超越光合作用极限的燃料。
• 源自仿生叶片的叶面生物肥料（Bionic-Leaf Biofertilizer）： Harvard 起源于仿生叶片研究的纳米包埋固氮菌向作物叶面供氮（Nature Food，2026）。

02美国

美国在强化光合树木与“仿生叶片→生物肥料”转化方面领先，工程植物在 USDA-APHIS SECURE 监管下开展田间部署。

Living Carbon 树木、仿生叶片生物肥料、USDA-APHIS SECURE

• Living Carbon： PagPIP1;2 过表达提高杨树的叶片 CO2 导度、光合作用与生物量积累，树皮贮藏蛋白共表达促进生长——这是其田间部署碳封存树木计划的基础。
• Harvard Bionic Leaf： Nocera 仿生叶片谱系如今支撑着可在叶面定殖并向作物供氮的纳米包埋固氮菌——在 2026 年 6 月 Current Research in Biotechnology 路线图中被描绘为“生物-太阳能氮经济”，并以叶面生物肥料形式进行试验（Nature Food，2026）。
• USDA-APHIS SECURE： 修订后的生物技术法规管控工程光合性状在树木与作物中的田间部署，并由 EPA 监督环境结果。

03中国

中国将人工光合作为国家清洁能源目标推进，中国科学院报告了里程碑式的阳光驱动 CO2 制能突破。

CAS 人工光合、阳光 CO2 制能、NEA 目标

• CAS Institute of Botany： 2026 年的一项突破在自然阳光下高效地将 CO2 与水转化为能源，推动中国人工光合计划迈向可用的太阳能燃料器件。
• 国家人工光合计划： 中国科学院及合作研究所围绕合成叶绿体、光催化剂与生物杂化体协同研究，并对接国家能源管理局的可再生能源目标。
• NEA 清洁能源定位： 人工光合被纳入 NEA 战略，作为将 CO2 与阳光直接转化为化学能的前沿路线。

04欧盟

欧洲引领全新 CO2 固定前沿——马克斯·普朗克研究所的合成循环与人工叶绿体科学——以及 Jülich 的光伏驱动太阳燃料工程。

马克斯·普朗克 CETCH、Jülich 太阳燃料、EU NGT 法规

• 马克斯·普朗克研究所（Tobias Erb 团队）： CETCH 循环与人工叶绿体细胞器以一条超越卡尔文-本森循环的全新途径固定 CO2；该团队将议程定位为“Photosynthesis 2.0”，以重塑全球碳循环。
• Forschungszentrum Jülich： 光伏-电池-电化学混合系统驱动 PV 基 CO2 还原制取太阳燃料，借助固体氧化物与电催化电堆超越天然光合作用的极限。
• EU NGT 法规： 新基因组技术框架决定着工程光合作物走向田间的方式，是对标准合成生物学监管的补充。

05领先企业与科研机构

06技术栈与创新

该技术栈涵盖活体植物中的工程基因、无细胞细胞器中的合成酶，以及完全非生物的光驱动 CO2 还原。

1. 强化光合基因（Enhanced Photosynthesis）：
   • PagPIP1;2 过表达提高杨树的叶片 CO2 导度与生物量，树皮贮藏蛋白共表达促进生长并重定向碳流——这是 Living Carbon 田间部署碳封存树木的基础。
   • IRRI 的 C4 水稻计划将 C4 光合途径通量工程化植入转基因水稻，目标是将该作物从约 1-2% 提升至天然 C4 植物 4-6% 的效率。
2. 合成 CO2 固定循环（CETCH Cycle）：
   • 马克斯·普朗克研究所设计的 CETCH 循环利用巴豆酰辅酶 A 羧化酶与全新酶网络，以快于卡尔文-本森循环的速率固定 CO2，并容纳于无细胞人工叶绿体细胞器中。
   • 该议程被定位为“Photosynthesis 2.0”——用合成生物学超越进化限制重塑碳循环。
3. 人工光合与仿生叶片（Artificial Photosynthesis）：
   • Forschungszentrum Jülich 的光伏-电池-电化学混合系统将 CO2 还原为太阳燃料，而 2026 年 CAS Institute of Botany 的突破在自然阳光下将 CO2 与水转化为能源。
   • Harvard 仿生叶片谱系转化为向作物供氮的纳米包埋固氮菌——生物-太阳能氮经济（Nature Food，2026）。

07价值链与生产管线

工程光合 / 人工叶绿体平台的工业管线（USDA-APHIS SECURE、EU NGT）

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│ 1. 光与 CO2 捕获          │ ───> │ 2. 工程固定               │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                  │
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┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. 产物回收               │ <─── │ 3. 生物转化               │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. 制剂                   │ ───> │ 6. 田间与销售             │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段 1：光与 CO2 捕获

光子由工程植物的叶绿体、人工叶绿体的无细胞光合膜或 PV-EC 混合体系中的光伏电池收集；CO2 经气孔进入或以气体形式供给，为固定提供碳与能量。

阶段 2：工程固定

在 Living Carbon 的杨树中，PagPIP1;2 提高叶片对 Rubisco 的 CO2 导度；IRRI 转基因水稻将碳经工程 C4 酶路由；马克斯·普朗克的 CETCH 循环与 CAS/Jülich 电催化剂以全新途径固定 CO2，速率目标达到或超过天然光合作用。

阶段 3：生物转化

固定的碳转化为生物质、糖类、燃料或生物肥料——杨树木材与树皮贮藏蛋白、C4 水稻籽粒、CETCH 循环产物、Jülich 太阳燃料或 Harvard 的纳米包埋固氮菌用于叶面施用。

阶段 4：产物回收

生物质以树木或籽粒形式收获；无细胞与电催化产物从反应液中分离；纳米包埋菌被回收并稳定化以便制剂。

阶段 5：制剂

产物经干燥、包衣或混炼——用于种植的工程幼苗、用于叶面喷施的生物肥料包衣，或用于下游的纯化太阳燃料物流。

阶段 6：田间与销售

工程树木在 USDA-APHIS SECURE 下种植以移除碳，C4 水稻与叶面生物肥料在南亚施用以增产，太阳燃料与 CETCH 产物定向供应能源与化工买家。