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生在葉綠體類囊體和基質中，包括一系列光物理、光化學和生理生化的複雜過程。自然光合作用中，由太陽能到最終生物質能的轉化效率比較低，藻類植物低於7%，高等植物約為1%。
人工葉綠體技術就是從結構和功能上模仿植物葉綠體的光合作用，以便模擬再現、提高葉綠體的光合效率，實現既可以收集光能，又可以綠色高效合成所需的有機物等。目前，科技界已經在人工葉綠體技術多個前沿方向上取得較大突破。
模擬光合磷酸化過程。透過分子組裝技術，我國科研團隊先後在2016年、2019年實現了三磷酸腺苷合酶和光系統II兩種蛋白的共組裝、含光酸分子多層膜疊狀結構及光系統II與三磷酸腺苷合酶共組裝，實現了“最接近真實葉綠體結構和功能的人工合成”。
重新設計光合固碳途徑。2016年，德國科研人員成功構建了一種與天然固碳迴圈不同的、全人工設計合成的固碳CETCH迴圈，將其與菠菜葉綠體類囊體薄膜結合在一起，封裝到直徑約為100微米的液滴中，組成了“半合成光合系統”。隨後，在2020年，德法兩國科研人員利用合成生物學與奈米微流控技術，又研發出具有葉綠體功能、細胞大小的液滴，以及自動化生產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“光合細胞工廠”。光合微生物廣泛分佈，具有固氮、產氫、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、耐性強等優點。以光合微生物的光合作用體系為基礎，經過分子遺傳改良的天然光合微生物混菌體系在汙水處理、土壤修復、高價值化學品合成等領域展示出巨大價值。我國研究人員已經建立了以藍細菌等單細胞藻為底盤，生產各類能源及高附加值分子的研究體系及平臺。
有機/無機人工複合催化體系。人工半導體光催化劑具有消光係數高、吸光範圍可調、結構穩定、反應壽命長等優點。將光合作用酶、類囊體膜、光合細菌及其他光合結構單元與人工光合作用單元串聯起來，組裝成自然—人工光合雜化體系，可實現優勢互補、相互促進。目前，蛋白酶—奈米材料體系和活細胞—奈米材料體系兩種技術路徑進展迅速。
光合作用廣泛存在於自然界的土壤、水田、沼澤、湖泊和江海等處，每年地球上透過光合作用合成的有機物約為2200億噸，相當於人類每年所需能耗的10倍。未來人工葉綠體技術走向成熟乃至商業化，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5%。人工葉綠體技術將加速人類認識光合作用科學機理，改造提升農作物的光合作用效率，增加全球農作物的產量。其次，利用人工葉綠體技術可以高效提供環境友好的新能源，更好捕獲環境中的CO2、加快“碳中和”程序，為解決能源問題和碳排放問題提供新技術方案。再次，人工葉綠體技術有望變革精細化學品、藥品製造方式，清除環境特定汙染物，且具有低能耗維持高效執行、安全性高等諸多優點，有利於實現聯合國可持續發展目標。
總體上，人工葉綠體技術的研發仍然集中在基礎研究層面上，還有理論機理、應用基礎、材料元件等許多關鍵科學問題亟待解決。例如，光合作用能量傳遞效率高達94%—98%，光合作用反應中心進行的光能轉換的量子效率幾乎是100%。在常溫常壓下，當前科學技術所開發的人工葉綠體工廠遠未能達到上述水平。將當前光吸收激發和化學轉化相互分離的兩個過程直接耦合，有助於指導人工葉綠體系統設計開發，實現更高效率的光捕集和光能轉化。從原子和分子水平逐步深入認識光/電轉化、傳輸過程、熱力學、動力學和降解機理，對光合膜蛋白複合物進行空間結構解析，則有助於設計、開發高效能和長壽命的人工葉綠體系統元件。
目前，國際科技界都將人工葉綠體技術作為重要科技攻關方向，加快科技佈局。美國加州理工學院和勞倫斯伯克利國家實驗室牽頭成立的“人工光合系統聯合研究中心”、歐盟未來和新興技術旗艦計劃“面向迴圈經濟的太陽能利用”、我國自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心等，有望為人工葉綠體技術未來發展開闢出一條新路。
