李灿等发现微藻表面组装金属有机框架材料可提高光合作用固碳效率

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近日，我所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部（DNL16）李灿院士、王旺银副研究员等在提高微藻光合作用固碳方面取得新进展，发现利用金属有机框架材料（MOFs）直接空气捕集二氧化碳（CO2）与生物碳浓缩耦合机制，强化了环境到细胞的CO2传质，微藻光合作用固碳效率由5.1%提高至9.8%。
　　在自然光合作用中，植物利用太阳光、水、CO2合成生物质。但是，植物的光合作用效率主要受到光照质量和CO2捕集与传输方面因素的限制，制约了光合作用合成生物质的效率。针对这些科学问题，李灿研究团队前期通过添加胞外人工电子梭，提高了光吸收饱和点，解除了光抑制（Natural. Sciences.，2021）；在光合细胞内引入纳米金，研究了暗反应固碳酶催化的限制因素（ACS Sustainable Chem. Eng.，2023）。目前，在大气水平CO2浓度下，如何捕集浓缩CO2并高效传输到Rubisco酶提高固碳反应动力学，仍然是植物光合作用研究领域的挑战课题。

　　本工作中，研究者提出了化学与生物杂合的策略，在光合微藻表面自组装多孔材料MOFs，实现CO2的直接空气捕集与生物转化。研究发现，MOF材料通过静电作用在小球藻表面自组装，将空气中的CO2捕获并富集在微藻细胞，使微藻光合放氧速率对CO2的亲和力提高了82%。团队通过酶动力学实验发现，小球藻分泌的胞外碳酸酐酶可将MOFs捕集的CO2水合为碳酸氢根，生物膜上的转运蛋白将碳酸氢根运输到叶绿体中的蛋白核内，从而提升了小球藻Rubisco酶周围的CO2浓度。该效应诱导固碳关键酶Rubisco的表达量提高，加快小球藻光合固碳速率。MOFs捕集CO2的功能使得微藻细胞在强化暗反应的同时，也缓解了光反应在光胁迫下遭受的抑制。光能到生物质的表观转化效率从5.1%提高至9.8%。该策略是人工方法改进自然光合作用的一个新尝试。
　　相关研究成果以“Enhancing photosynthetic CO2 fixation by assembling metal-organic frameworks on Chlorella pyrenoidosa”为题，于近日以Editors' Highlights形式发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该工作的共同第一作者是DNL16博士研究生李定颐和博士后董鸿。以上工作得到国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心、国家自然科学基金、中国科学院青促会等项目的资助。（文/图 李定颐、王旺银）
　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40839-0
         文献来源：兰州大学
      李灿，男，汉族，1960年1月生于甘肃省。理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士、英国皇家化学学会会士。任中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室（筹）主任，中法催化联合实验室中方主任，英国石油公司与中国科学院大连化学物理研究所能源创新实验室主任，兼任中国科学技术大学材料与化学学院院长。主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，研制了具有自主知识产权的国内第一台用于催化材料研究的紫外共振拉曼光谱仪。