树叶、草叶、单细胞藻类：所有这些都通过光合作用的奇迹，利用水、阳光和二氧化碳的简单组合来制造燃料。现在科学家们表示，他们已经通过将化学和生物学结合在一个“仿生”叶片中，复制并改进了这一技巧。
哈佛大学的化学家丹尼尔·诺塞拉和他的团队与哈佛医学院的合成生物学家帕梅拉·西尔弗和她的团队合作，制造出一种类似活体电池的装置，他们称之为仿生叶片，因为它融合了生物学和技术。该设备利用光伏板产生的太阳能电力为化学反应提供动力，将水分解成氧气和氢气，然后加入预先饥饿的微生物，以氢气为食，并将空气中的二氧化碳转化为酒精燃料。该团队的首个人工光合作用装置于2015年问世——每升水可泵出216毫克酒精燃料——但使其水分解化学反应成为可能的镍-钼-锌催化剂却产生了毒害微生物的不幸副作用。
因此，该团队开始寻找更好的催化剂，一种既能与生物体良好相处又能有效分解水的催化剂。正如该团队在6月2日发表在《科学》杂志上的报告中所述，他们在一个钴和磷的合金中找到了它，这种合金已广泛用作塑料和金属部件的防腐涂层，应用于从水龙头到电路板的各种产品中。只需少量电荷，这种新型催化剂就可以从普通水、钴和磷酸盐的溶液中自行组装而成——而水中的磷酸盐实际上对像构成仿生叶片后半部分的 Ralstonia eutropha 细菌等生物体有益。通过光伏装置向该溶液施加足够高的电压电流，就可以分解水。该电压也高于诱导钴从溶液中沉淀出来并形成磷化钴催化剂所需的电压，这意味着当仿生叶片运行时，始终有足够的电子存在以诱导催化剂的形成——因此没有多余的金属残留物来毒害微生物或阻止仿生叶片的水分解。诺塞拉说：“催化剂永远不会失效，因为它一直在发挥作用，”他指出，这种新型人工叶片已经能够连续运行长达16天。“
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这种新型钴催化剂也能将水分解成氢气和氧气，而不会产生可能损害DNA或其他对生命延续至关重要的过程的活性氧分子。“我目前还不知道为什么，”诺塞拉说。“这将是一件有趣的事情去弄清楚。”
有了这种新型催化剂的仿生叶片，该团队将2.0版本的异丙醇和异丁醇等酒精燃料的生产效率提高到大约10%。换句话说，每使用一千瓦时的电力，微生物就可以从23万升空气中去除130克二氧化碳，以制造60克异丙醇燃料。这比天然光合作用在将水、阳光和空气转化为储存能量方面的效率更高。
并且没有理由认为R. eutropha不能被制造成产生其他产品——或许是像化石燃料中发现的复杂碳氢化合物分子，甚至是目前从污染资源中合成的各种化学品，例如肥料。“你有以氢气为唯一食物来源的细菌，而氢气来自太阳能水分解。所以你有可再生的细菌和合成生物学来让它们做任何事情，”诺塞拉说。“你可以开始考虑一个可再生化学品产业。” 该混合团队在《科学》论文中报告说，他们已经诱导R. eutropha制造出一种最终可以转化为塑料的分子。
其基本思想是逆转燃烧，并利用化石燃料燃烧的残余物——大气中堆积的二氧化碳——来制造可再生燃料，就像植物所做的那样。但是，仿生叶片在短期内不会在价格上与从地下挖出的化石燃料竞争，尤其因为微生物目前还不能快速生产大量燃料。迄今为止最大的仿生叶片在一个一升的花盆中，尽管该团队尚未发现将其做大的任何限制。
通过利用空气中过量的二氧化碳编织燃料，这种新型生物反应器可以帮助缓解全球变暖的污染问题，同时为目前无法获得现代能源的人们带来更清洁的燃料。“这项科学技术你可以在你的后院完成。你不需要数十亿美元的大型基础设施，”诺塞拉说。
“通过整合生物学和有机化学的技术，存在一条非常强大的前进道路，你可以汲取两者的精华，”他补充道。“我利用空气、阳光和水，制造出了东西，而且我做得比大自然好10倍。这让我感觉很好。”