人類社會排放的CO2等溫室氣體,造成全球氣候變暖和海洋酸化,探索和實施碳減排途徑和方法已刻不容緩。利用微藻將工業(yè)源CO2直接轉(zhuǎn)化為生物燃料,在碳中性能源體系的建設(shè)中具有重要的戰(zhàn)略意義。但是,工業(yè)微藻如何高效固定CO2呢?青島能源所單細胞中心等發(fā)現(xiàn),作為一種工業(yè)產(chǎn)油微藻,微擬球藻細胞集至少三種碳濃縮機制(CO2 Concentrating Mechanism,CCM)的特征于一身。這一全局性的CCM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)藍圖的揭示,為在工業(yè)微藻中設(shè)計和改造“超級二氧化碳固定模塊”奠定了基礎(chǔ)。

  目前地球大氣中的CO2含量約0.04%。為了將環(huán)境中如此低濃度的CO2富集在葉綠體中Rubisco(核酮糖-2-磷酸羧化氧化酶)的周圍,從而進行高效的光合作用,自養(yǎng)生物進化出了形形色色的CCM系統(tǒng),在細胞代謝網(wǎng)絡(luò)中主動地供應(yīng)或回收無機碳分子。因此,CCM系統(tǒng)蘊含著挖掘和改造微藻細胞工廠固碳能力的奧妙。

  微擬球藻(Nannochloropsis spp.)是一種可利用海水或淡水、在室外大規(guī)模培養(yǎng)的工業(yè)微藻,具有生長速度快、油脂含量高、合成EPA等高值不飽和脂肪酸等優(yōu)點,因此已經(jīng)成為工業(yè)產(chǎn)油微藻分子育種的主要研究體系之一,也支撐著國內(nèi)外許多微藻規(guī)模固定二氧化碳的示范工程。

  單細胞中心魏力與德國魯爾大學Mohamed El Hajjami等合作,綜合運用條件序列和時間序列的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組等系統(tǒng)生物學手段,全面解析了海洋微擬球藻(N. oceanica)在低碳條件下特異性啟動的基因群體和代謝模塊,從而揭示了全局性的CCM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)藍圖。研究發(fā)現(xiàn),在微擬球藻細胞的固碳體系中,至少存在三種CCM的特征,包括以碳酸酐酶和碳酸氫鹽轉(zhuǎn)運體為主導的生物物理CCM、類似高等植物C4光合固碳途徑的生物化學CCM,以及以線粒體碳酸酐酶和呼吸鏈為主的本底CCM。而且支撐這些特征的具體機制,與實驗室模式真核微藻如萊茵衣藻(綠藻)和三角褐指藻(硅藻)等相比,具有相當顯著乃至讓人驚異的差異。這些全基因組水平的發(fā)現(xiàn),為在工業(yè)產(chǎn)油微藻中系統(tǒng)性地設(shè)計和構(gòu)建“超級二氧化碳固定模塊”奠定了基礎(chǔ)。

  該工作由青島能源所單細胞中心徐健研究員與德國魯爾大學Ansgar Poetsch教授主持,并得到了美國德克薩斯技術(shù)大學周文序教授和中科院水生所胡強研究員等的幫助。該研究獲得了國家自然科學基金、中科院CO2重點部署項目和研究所“一三五”項目的支持。 (文/魏力 圖/劉陽)

  附錄:

  Li Wei, Mohamed El Hajjami, Chen Shen, Wuxin You, Yandu Lu, Jing Li, Xiaoyan Jing, Qiang Hu, Wenxu Zhou, Ansgar Poetsch*, Jian Xu*, Transcriptomic and proteomic responses to very low CO2 suggest multiple carbon concentrating mechanisms in Nannochloropsis oceanica, Biotechnology for Biofuels, https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/s13068-019-1506-8

  

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