工業(yè)微藻能夠?qū)㈥柟夂蜔煹罋庵苯愚D(zhuǎn)化為生物柴油，因此是應(yīng)對全球氣候變暖的重要舉措之一。然而煙道氣中高濃度的CO2及其導(dǎo)致的酸性培養(yǎng)條件，往往抑制了微藻的生長，因此提高CO2耐受性是設(shè)計(jì)與構(gòu)建超級光合固碳細(xì)胞工廠的關(guān)鍵瓶頸之一。近期，青島能源所單細(xì)胞中心通過逆轉(zhuǎn)進(jìn)化時(shí)針的研究思路，率先闡明了工業(yè)微藻應(yīng)對高濃度CO2的機(jī)制，并開發(fā)出高CO2耐受的工業(yè)產(chǎn)油微藻細(xì)胞工廠。這一工作不僅對于工業(yè)煙道氣直接轉(zhuǎn)化生物柴油具有應(yīng)用價(jià)值，對于人類生存空間的拓展也有重要意義。該成果于3月21日在線發(fā)表于《Metabolic Engineering》。
人類活動排放的CO2等溫室氣體，導(dǎo)致了全球氣候變化和海洋酸化等重大環(huán)境和社會問題。利用工業(yè)產(chǎn)油微藻將煙道氣等工業(yè)CO2排放源直接轉(zhuǎn)化為柴油等先進(jìn)生物燃料，對于減少溫室氣體排放、遏制全球氣候變暖具有重大的戰(zhàn)略意義。包括微藻在內(nèi)的海洋浮游植物適應(yīng)了當(dāng)前地球大氣0.04%的CO2含量，每年固定了全球CO2固定量的40%。但是，煙道氣中的CO2含量高于5%，是大氣碳含量的百倍以上。由此導(dǎo)致的培養(yǎng)環(huán)境酸化，在降低了生物污染發(fā)生幾率的同時(shí)，也通常會抑制工業(yè)產(chǎn)油微藻的生長與繁殖，從而大幅度降低了工業(yè)生物固碳產(chǎn)油過程的經(jīng)濟(jì)性。微擬球藻（Nannochloropsis spp.）是一種在世界各地均可室外大規(guī)模培養(yǎng)的工業(yè)產(chǎn)油微藻。它們具有生長速度快、二氧化碳耐受能力強(qiáng)、海水淡水均可培養(yǎng)、遺傳操作較完善等突出優(yōu)點(diǎn)。單細(xì)胞中心魏力等研究人員，提出其利用和耐受CO2均與碳濃縮機(jī)制（Carbon Concentrating Mechanism; CCM）有關(guān)的科學(xué)假設(shè)。首先，運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)思路，結(jié)合亞細(xì)胞定位等研究手段，挖掘到與高CO2應(yīng)激相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)，即位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的一個(gè)特殊的碳酸酐酶（Carbonic anhydrase；CA2）。與5% CO2培養(yǎng)下相比，CA2在極低CO2濃度下被特異性地激活，因此是CCM系統(tǒng)感受與應(yīng)對環(huán)境中CO2濃度的關(guān)鍵基因。
進(jìn)而，研究人員提出，既然CCM是藻類從遠(yuǎn)古大氣（高濃度CO2環(huán)境）逐漸適應(yīng)當(dāng)前大氣（低濃度CO2環(huán)境）的進(jìn)化結(jié)果，如果人為地破壞或抑制CCM活性，是否能夠“逆轉(zhuǎn)進(jìn)化的時(shí)針”，人為實(shí)現(xiàn)工業(yè)微藻的“返祖”，從而恢復(fù)其對高濃度CO2的適應(yīng)性呢？實(shí)驗(yàn)證明，在5% CO2下，靶向敲低CA2基因的工程微擬球藻株，其生物質(zhì)產(chǎn)量能提高超過30%，而且含油量不受影響。這一優(yōu)良性狀在多種類型的光培養(yǎng)設(shè)施和多種空間尺度的培養(yǎng)規(guī)模下均能展現(xiàn)，而且具有相當(dāng)?shù)倪z傳穩(wěn)定性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CA2的敲低，顯著改善了胞內(nèi)pH值微環(huán)境，從而緩解了胞外高濃度氫離子對于細(xì)胞的毒害作用，最終維持了生物量的增長（圖1）。有趣的是，工程藻株的生長優(yōu)勢只在煙道氣培養(yǎng)條件下展現(xiàn)，若在空氣濃度CO2下，工程藻株則喪失了生長優(yōu)勢。因此，本研究不僅證明工業(yè)微藻CO2含量適應(yīng)性可以理性調(diào)控，而且發(fā)明了一種原創(chuàng)的工程藻株生態(tài)控制策略。
如何提高糧食和能源作物的CO2利用效率，一直是業(yè)界孜孜以求的目標(biāo)。現(xiàn)有的工作通常以CCM活性的促進(jìn)和提高為核心思路，以提高作物的固碳效率。本研究“反其道而行之”，首次提出，通過逆轉(zhuǎn)CCM的進(jìn)化腳步，抑制其活性，能夠提高作物在高CO2條件下的產(chǎn)量。
這一新思路不僅對于工業(yè)煙道氣直接轉(zhuǎn)化生物柴油具有應(yīng)用價(jià)值，對于人類生存空間的改造與拓展也有啟發(fā)。例如，作為除金星外距離地球最近的行星，火星是最有希望實(shí)現(xiàn)載人登陸的地外行星，乃人類未來移民的首選目的地。但是火星大氣中95%是CO2，因此火星大氣組成的改造是人類大規(guī)模殖民火星的前提。本研究展示的高CO2耐受性的工業(yè)微擬球藻，不僅能夠?qū)?span lang="EN-US" style="font-size: 12pt; font-family: "Times New Roman", "serif"">CO2轉(zhuǎn)化為氧氣，而且能夠按需生產(chǎn)生物柴油和食用油脂，因此或許可作為第一代火星移民，肩負(fù)改造火星大氣層的重任。
這項(xiàng)工作由青島能源所單細(xì)胞研究中心徐健研究員與德國魯爾大學(xué)Ansgar Poetsch教授主持，同時(shí)得到了中科院水生所的胡強(qiáng)研究員和胡晗華研究員等的幫助。該研究獲得了中科院CO2重點(diǎn)部署項(xiàng)目、研究所“一三五”項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金的支持。（文/圖 魏力）
https://doi.org/10.1016/j.ymben.2019.03.004
