近日，我所催化基礎國家重點實驗室、太陽能研究部（DNL16）李燦院士、王旺銀副研究員等在提高微藻光合作用固碳方面取得新進展，發現利用金屬有機框架材料（MOFs）直接空氣捕集二氧化碳（CO₂）與生物碳濃縮耦合機制，強化了環境到細胞的CO₂傳質，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，植物利用太陽光、水、CO₂合成生物質。但是，植物的光合作用效率主要受到光照質量和CO₂捕集與傳輸方面因素的限制，制約了光合作用合成生物質的效率。針對這些科學問題，李燦研究團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（Natural. Sciences.，2021）；在光合細胞內引入納米金，研究了暗反應固碳酶催化的限制因素（ACS Sustainable Chem. Eng.，2023）。目前，在大氣水平CO₂濃度下，如何捕集濃縮CO₂并高效傳輸到Rubisco酶提高固碳反應動力學，仍然是植物光合作用研究領域的挑戰課題。

　　本工作中，研究者提出了化學與生物雜合的策略，在光合微藻表面自組裝多孔材料MOFs，實現CO₂的直接空氣捕集與生物轉化。研究發現，MOF材料通過靜電作用在小球藻表面自組裝，將空氣中的CO₂捕獲并富集在微藻細胞，使微藻光合放氧速率對CO₂的親和力提高了82%。團隊通過酶動力學實驗發現，小球藻分泌的胞外碳酸酐酶可將MOFs捕集的CO₂水合為碳酸氫根，生物膜上的轉運蛋白將碳酸氫根運輸到葉綠體中的蛋白核內，從而提升了小球藻Rubisco酶周圍的CO₂濃度。該效應誘導固碳關鍵酶Rubisco的表達量提高，加快小球藻光合固碳速率。MOFs捕集CO₂的功能使得微藻細胞在強化暗反應的同時，也緩解了光反應在光脅迫下遭受的抑制。光能到生物質的表觀轉化效率從5.1%提高至9.8%。該策略是人工方法改進自然光合作用的一個新嘗試。

　　相關研究成果以“Enhancing photosynthetic CO₂ fixation by assembling metal-organic frameworks on Chlorella pyrenoidosa”為題，于近日以Editors' Highlights形式發表在《自然—通訊》（Nature Communications）上。該工作的共同第一作者是DNL16博士研究生李定頤和博士后董鴻。以上工作得到國家自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心、國家自然科學基金、中國科學院青促會等項目的資助。（文/圖 李定頤、王旺銀）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40839-0

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