【Nat Communi】突破！李灿院士团队实现人工CO2浓缩策略，可提高光合作用固碳效率

2023年9月3日，Nature Communications 杂志在线发表了来自大连化物所李灿院士团队题为“Enhancing photosynthetic CO2 fixation by assembling metal-organic frameworks on Chlorella pyrenoidosa”的研究论文，该研究将自组装在小球藻表面的MOF作为胞外二氧化碳浓缩器，通过有效的局部浓缩并耦合胞外碳酸酐酶来改善微藻对大气中二氧化碳的吸收，实现微藻光合固碳速率的提升。

2、背景介绍：蓝藻和真核藻类贡献了全球碳同化和产氧总量的大部分。它们都进化出了CO2浓缩机制（CCM），可在Rubisco附近形成高浓度CO2环境。与同样具有CO2浓缩机制的陆生C4植物不同，水生的蓝藻和真核微藻不具有细胞分化成的花环状光合细胞解剖结构，而是以单细胞的方式进行的CO2浓缩机制；而且它们的主要碳源不是大气中的CO2，而是水中溶解的无机碳，包括CO2和HCO3-/ CO32-，统称为溶解无机碳（DIC）。利用这些无机碳源的过程中，细胞周质和叶绿体中的碳酸酐酶（CA）介导了不同形式的DIC间的相互转化，以加强其向Rubisco附近的定向运输并减少不可避免的泄漏。值得注意的是，藻类中的CCM通常只能在大气水平的CO2等低浓度条件下被激活，同时根据亨利定律，大气中的CO2在培养基或水体中的实际溶解浓度太低。即便CCM能高效运行，也难以弥补固有的碳供应不足的制约因素，因此在规模化放大培养的过程中，水生光合生物的生物量增长速率远远落后于异养微生物。因此，如何加强水体中微藻对大气中CO2的捕获和转运，对于增强光合固碳速率而言至关重要。

3、研究出发点：金属有机框架（MOF）材料正成为有望从环境空气中高效捕获和储存CO2的新型材料。氨基官能化的MOF在水中表现出良好的CO2吸收能力。将MOF与光合生物耦合以强化固碳这一策略很有希望，且目前尚没有这一方面的报道。

4、图文解析：

MOF的表征及在小球藻表面的自组装

通过溶剂热法合成具有CO2捕获功能的MOF——NH2-MIL-101-Fe。经测定，该MOF的CO2吸附容量也高达20 cm3/g（图1a）。在303K和3% RH和45% RH的湿度下，对大气水平的的CO2的吸附量分别达到了1.3 mg/g和1.8 mg/g（图1b），这反映了空气中适量的水分可促进NH2-MIL-101-Fe对CO2的捕集。且MOF对水中DIC的吸附量与其MOF自身的量成正比，并以此求出MOF对水相溶解无机碳的吸附量约为1.6 mg/g（图1c），与其在空气中的吸附量接近。而且，MOF颗粒与微藻细胞在培养pH（6~9）下表面带相反电荷，可实现MOF颗粒在微藻表面的自组装（图2）。

图1.（a）CO2吸附脱附曲线；（b）CO2突破曲线；（c）水相DIC吸附曲线；（d）MOF和小球藻的Zeta电位曲线

图2.MOF在小球藻表面的SEM图像与界面自组装模型

MOF加速小球藻的生长

添加不同浓度MOF的小球藻的生长速率明显高于对照组，且在添加50ppm MOF后，生长速率达到最大值（图3a）。而添加50ppm MOF后，小球藻生长速率在初始pH7时增量最大，达92%（图3b），这说明MOF对小球藻生长速率的促进作用高度依赖于培养基pH。同时培养过程中的pH漂移曲线显示MOF促进了培养基中硝酸根的利用（图3c），且MOF促进小球藻固碳固氮的机制与光反应无关（图3d）。综上，可推断MOF改善了微藻胞内的CO2供应，而改善效果在pH偏中性时最佳。由于培养基DIC中CO2的比例随pH升高而降低，说明除了MOF吸附CO2这一机制外，存在另一种在高pH下起效的机制。

图3.（a）不同浓度MOF和（b）50ppm MOF在不同pH下小球藻的生长曲线；（c）pH漂移曲线；（d）光系统II量子产率变化曲线

CO2从MOF到小球藻胞内的转运

胞外碳酸酐酶（CA）可在中性或弱碱性溶液中催化CO2生成HCO3-。在添加MOF的小球藻培养基中添加CA抑制剂后，发现MOF对小球藻生长的促进效果消失了（图4a），说明胞外CA参与了CO2从MOF颗粒到小球藻胞内的转运过程。通过测定小球藻培养基的CA活性，发现部分CA留存在MOF表面（图4b），与图2d相呼应。结合小球藻光合放氧对CO2的亲和力测定（图4c），以及CO2水合电离反应动力学分析（图4d），证明了MOF表面的胞外CA加速CO2到HCO3-的转化，从而完成CO2从富集到转运的关键一步。

MOF改善小球藻胞内CO2供应后，光合固碳关键酶Rubisco的表达水平显著提升（图4e），且小球藻干重中的蛋白含量显著提高（图4f）。经计算，添加MOF后，小球藻将光能转化为生物质能的表观转化率从5.1%提高到9.8%（图5）。

图4. （a）胞外碳酸酐酶抑制剂实验；（b）胞外碳酸酐酶活性测试；（c）光合放氧对CO2浓度亲和力测定；（d）CO2水合电离反应动力学测试；（e）Rubisco活性测试；（f）小球藻生物质成分分析

图5. 低浓度CO2下MOF在小球藻表面上的CO2浓缩与转运机制示意图

5、总结与展望：作者报告了一种人工CO2浓缩策略（图5），以改善环境中CO2的供应，促进真核绿藻C. pyrenoidosa的光合自养生长。作者制备了氨基官能化的MOF，NH2-MIL-101-Fe，并将其在微藻细胞表面进行静电自组装，以作为胞外CO2浓缩器。C. pyrenoidosa外泌的碳酸酐酶通过将MOF捕获的CO2转化为碳酸氢盐来将其从MOF上释放，然后通过细胞周质转运进微藻胞内。该策略显著提高了小球藻Rubisco的酶活，并将小球藻固碳速率提高到对照组的1.9倍。同时，光合固定CO2速率的提高缓解了上游光反应在强光下的光抑制。这一策略有助于大气中CO2的同化和微藻工厂的增产。

转自：“iPlants”微信公众号

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