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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。但是，植物的光合作用效率主要受到光照質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的效率。近日，中國科學院大連化學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展。團隊發現利用金屬有機框架材料（MOFs）直接空氣捕集二氧化碳與生物碳濃縮耦合機制，強化了環境到細胞的二氧化碳傳質，微藻光合作用固碳效率由5.1%提高至9.8%。相關成果發表在《自然—通訊》上。
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，并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。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。
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，實現了二氧化碳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，將空氣中的二氧化碳捕獲并富集在微藻細胞，使微藻光合放氧速率對二氧化碳的親和力提高了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捕集的二氧化碳水合為碳酸氫根，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酶周圍的二氧化碳濃度。該效應誘導固碳關鍵酶Rubisco的表達量提高，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。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40839-0
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