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俯视一洼碧绿的池塘——这抹绿意来自于其中繁衍兴盛的藻类家族。其中的叶绿体，植物细胞的「光动力装置」，在默默地生产代谢之外，也吸引到了合成生物学的注意力。
叶绿体合成生物学有望通过改善质体的功能来推进光合作用生物。然而，由于遗传工具的稀缺和植物系统的低吞吐量，叶绿体工程工作面临局限性。
德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所（Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology）的研究者们正尝试让这个想象变为现实。他们开发了一套一套模块化高通量叶绿体工程平台， 能像拼装积木一样构建、测试上百种叶绿体基因组合，在短时间内筛选出高性能的「绿色系统」。
该研究以「A modular high-throughput approach for advancing synthetic biology in the chloroplast of Chlamydomonas」为题，于 2025 年 11 月 3 日发布在《Nature Plants》。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02126-2
来改造叶绿体试试
叶绿体（chloroplast）是植物细胞的能量中心，也是碳固定和光合作用的核心场所。然而，它有一个科学家头疼已久的问题：难以被系统性地工程化。
不同于细菌或酵母，叶绿体拥有自己独立的基因组和转录系统。这意味着，倘若要在叶绿体内导入外源基因，就会带来各种复杂低效甚至无用的的实验结果。
为了系统地表征数千个转叶绿体 C. reinhardtii 菌株中的遗传元件，该研究所的团队开发了一种自动化工作流程，专门用于叶绿体基因组的模块化和合成工程。通过自动化装配和筛选流程，他们一次性构建并测试了超过 140 种调控元件组合，包括启动子（promoter）、非翻译区（UTR）、连接序列和报告基因模块。
图 1：生成和高通量表征转叶绿体 Chlamydomonas reinhardtii 菌株的工作流程。
在三周内，通过在平板上同时筛选每种构建体的 16 个重复菌落，可以轻松将 80%的转化子驱动到同质叶绿体状态，仅观察到轻微的损失（总计约 2% 的损失）。使用此工作流程，挑取和划线所需的时间减少了约八倍（从每周 16 小时处理 384 个菌株减少到每周 2 小时），而年维护成本减少了两倍。
图 2：建立叶绿体工程的基本工具。
团队所提供的库有超过 300 个组件，所有组件都符合常见的生物技术标准，因此该 DNA 库可以在其他实验室中轻松使用。
合成光呼吸通路
既然现在可以稳定地将多个基因组合到叶绿体中，并且预测其活性，团队将一个合成代谢途径引入了微藻的叶绿体中，作为他们的概念验证。
图 3：设计和测试合成叶绿体启动子及叶绿体转化库。
在克隆转化后，团队从 10000 个菌落中选择了 1536 个作为例子，进行第二次筛选，最终获得 768 个测试例。虽然在三次重复荧光技术检测后，90% 的菌株微弱或无光，但也有 10% 显示了广泛的 mScarlet 荧光信号。在这其中，通过抽样，越有 82% 包含一个独特的序列，剩下的则表现出序列混合。
接下来，工程化的代谢途径使微藻在胁迫条件下更有效地吸收 CO₂，结果生物量产量几乎翻了一番——「涡轮增压微藻」。这表明对叶绿体代谢的靶向干预可以提高生产力。
这些发现不仅为叶绿体提供了超过 20 个额外的合成启动子序列，还证明了叶绿体中文库转化的强大力量，为叶绿体合成生物学和工程开辟了新的可能性。
未来的可编程作物
新的数据库为广泛的研究奠定了坚实的基础，例如提高植物对热、干旱或强光的抵抗力、改善营养成分或增加产量。它还可以作为新型碳固定途径或高价值天然化合物生产的平台。
这一平台并不仅限于藻类，由于构建模块基于标准化 DNA 语法和兼容接口，它可以与植物叶绿体转化系统直接对接。这意味着未来科学家能在几周内完成对成千上万种基因组合的测试，然后选择最优模块用于作物改良。这种高通量策略在全球气候变暖、粮食压力增大的当下，或许会成为下一场农业革命的引爆点。
相关报道：https://phys.org/news/2025-11-automated-chloroplast-screening-platform-crop.html
