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在自然光合作用中，植物利用太陽光、水、二氧化碳合成生物質(zhì)。但是，植物的光合作用效率主要受到光照質(zhì)量和二氧化碳捕集與傳輸方面因素的限制，制約了光合作用合成生物質(zhì)的效率。近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、副研究員王旺銀等在提高微藻光合作用固碳方面取得了新進(jìn)展。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)利用金屬有機(jī)框架材料（MOFs）直接空氣捕集二氧化碳與生物碳濃縮耦合機(jī)制，強(qiáng)化了環(huán)境到細(xì)胞的二氧化碳傳質(zhì)，微藻光合作用固碳效率由5.1%提高至9.8%。相關(guān)成果發(fā)表在《自然—通訊》上。
李燦研究團(tuán)隊前期通過添加胞外人工電子梭，提高了光吸收飽和點，解除了光抑制，并在光合細(xì)胞內(nèi)引入納米金，研究了暗反應(yīng)固碳酶催化的限制因素。而目前，在大氣水平二氧化碳濃度下，如何捕集濃縮二氧化碳并高效傳輸?shù)絉ubisco酶提高固碳反應(yīng)動力學(xué)，仍然是植物光合作用研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)課題。
提高效率示意圖。大連化物所供圖
本工作中，研究者提出了化學(xué)與生物雜合的策略，在光合微藻表面自組裝多孔材料MOFs，實現(xiàn)了二氧化碳的直接空氣捕集與生物轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，MOF材料通過靜電作用在小球藻表面自組裝，將空氣中的二氧化碳捕獲并富集在微藻細(xì)胞，使微藻光合放氧速率對二氧化碳的親和力提高了82%。團(tuán)隊通過酶動力學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，小球藻分泌的胞外碳酸酐酶可將MOFs捕集的二氧化碳水合為碳酸氫根，生物膜上的轉(zhuǎn)運蛋白將碳酸氫根運輸?shù)饺~綠體中的蛋白核內(nèi)，從而提升了小球藻Rubisco酶周圍的二氧化碳濃度。該效應(yīng)誘導(dǎo)固碳關(guān)鍵酶Rubisco的表達(dá)量提高，加快了小球藻光合固碳速率。而MOFs捕集二氧化碳的功能使得微藻細(xì)胞在強(qiáng)化暗反應(yīng)的同時，也緩解了光反應(yīng)在光脅迫下遭受的抑制。光能到生物質(zhì)的表觀轉(zhuǎn)化效率從5.1%提高至9.8%。
該策略是人工方法改進(jìn)自然光合作用的一個新嘗試。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40839-0
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