樹葉、草葉、單細胞藻類：所有這些都透過光合作用的奇蹟，利用水、陽光和二氧化碳的簡單組合來製造燃料。現在科學家們表示，他們已經透過將化學和生物學結合在一個“仿生”葉片中，複製並改進了這一技巧。
哈佛大學的化學家丹尼爾·諾塞拉和他的團隊與哈佛醫學院的合成生物學家帕梅拉·西爾弗和她的團隊合作，製造出一種類似活體電池的裝置，他們稱之為仿生葉片，因為它融合了生物學和技術。該裝置利用光伏板產生的太陽能電力為化學反應提供動力，將水分解成氧氣和氫氣，然後加入預先飢餓的微生物，以氫氣為食，並將空氣中的二氧化碳轉化為酒精燃料。該團隊的首個人工光合作用裝置於2015年問世——每升水可泵出216毫克酒精燃料——但使其水分解化學反應成為可能的鎳-鉬-鋅催化劑卻產生了毒害微生物的不幸副作用。
因此，該團隊開始尋找更好的催化劑，一種既能與生物體良好相處又能有效分解水的催化劑。正如該團隊在6月2日發表在《科學》雜誌上的報告中所述，他們在一個鈷和磷的合金中找到了它，這種合金已廣泛用作塑膠和金屬部件的防腐塗層，應用於從水龍頭到電路板的各種產品中。只需少量電荷，這種新型催化劑就可以從普通水、鈷和磷酸鹽的溶液中自行組裝而成——而水中的磷酸鹽實際上對像構成仿生葉片後半部分的 Ralstonia eutropha 細菌等生物體有益。透過光伏裝置向該溶液施加足夠高的電壓電流，就可以分解水。該電壓也高於誘導鈷從溶液中沉澱出來並形成磷化鈷催化劑所需的電壓，這意味著當仿生葉片執行時，始終有足夠的電子存在以誘導催化劑的形成——因此沒有多餘的金屬殘留物來毒害微生物或阻止仿生葉片的水分解。諾塞拉說：“催化劑永遠不會失效，因為它一直在發揮作用，”他指出，這種新型人工葉片已經能夠連續執行長達16天。“
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這種新型鈷催化劑也能將水分解成氫氣和氧氣，而不會產生可能損害DNA或其他對生命延續至關重要的過程的活性氧分子。“我目前還不知道為什麼，”諾塞拉說。“這將是一件有趣的事情去弄清楚。”
有了這種新型催化劑的仿生葉片，該團隊將2.0版本的異丙醇和異丁醇等酒精燃料的生產效率提高到大約10%。換句話說，每使用一千瓦時的電力，微生物就可以從23萬升空氣中去除130克二氧化碳，以製造60克異丙醇燃料。這比天然光合作用在將水、陽光和空氣轉化為儲存能量方面的效率更高。
並且沒有理由認為R. eutropha不能被製造成產生其他產品——或許是像化石燃料中發現的複雜碳氫化合物分子，甚至是目前從汙染資源中合成的各種化學品，例如肥料。“你有以氫氣為唯一食物來源的細菌，而氫氣來自太陽能水分解。所以你有可再生的細菌和合成生物學來讓它們做任何事情，”諾塞拉說。“你可以開始考慮一個可再生化學品產業。” 該混合團隊在《科學》論文中報告說，他們已經誘導R. eutropha製造出一種最終可以轉化為塑膠的分子。
其基本思想是逆轉燃燒，並利用化石燃料燃燒的殘餘物——大氣中堆積的二氧化碳——來製造可再生燃料，就像植物所做的那樣。但是，仿生葉片在短期內不會在價格上與從地下挖出的化石燃料競爭，尤其因為微生物目前還不能快速生產大量燃料。迄今為止最大的仿生葉片在一個一升的花盆中，儘管該團隊尚未發現將其做大的任何限制。
透過利用空氣中過量的二氧化碳編織燃料，這種新型生物反應器可以幫助緩解全球變暖的汙染問題，同時為目前無法獲得現代能源的人們帶來更清潔的燃料。“這項科學技術你可以在你的後院完成。你不需要數十億美元的大型基礎設施，”諾塞拉說。
“透過整合生物學和有機化學的技術，存在一條非常強大的前進道路，你可以汲取兩者的精華，”他補充道。“我利用空氣、陽光和水，製造出了東西，而且我做得比大自然好10倍。這讓我感覺很好。”