金属有机框架材料可提高光合作用固碳效率

 

在自然光合作用中，植物利用太阳光、水、二氧化碳合成生物质。但是，植物的光合作用效率主要受到光照质量和二氧化碳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。近日，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、副研究员王旺银等在提高微藻光合作用固碳方面取得了新进展。团队发现利用金属有机框架材料（MOFs）直接空气捕集二氧化碳与生物碳浓缩耦合机制，强化了环境到细胞的二氧化碳传质，微藻光合作用固碳效率由5.1%提高至9.8%。相关成果发表在《自然—通讯》上。

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，并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。而目前，在大气水平二氧化碳浓度下，如何捕集浓缩二氧化碳并高效传输到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。

提高效率示意图。大连化物所供图

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，实现了二氧化碳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，将空气中的二氧化碳捕获并富集在微藻细胞，使微藻光合放氧速率对二氧化碳的亲和力提高了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捕集的二氧化碳水合为碳酸氢根，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酶周围的二氧化碳浓度。该效应诱导固碳关键酶Rubisco的表达量提高，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。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40839-0