近日，我所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部（DNL16）李灿院士、王旺银副研究员等在提高微藻光合作用固碳方面取得新进展，发现利用金属有机框架材料（MOFs）直接空气捕集二氧化碳（CO2）与生物碳浓缩耦合机制，强化了环境到细胞的CO2传质，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，植物利用太阳光、水、CO2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CO2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。针对这些科学问题，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（Natural. Sciences.，2021）；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（ACS Sustainable Chem. Eng.，2023）。目前，在大气水平CO2浓度下，如何捕集浓缩CO2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。
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CO2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CO2捕获并富集在微藻细胞，使微藻光合放氧速率对CO2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CO2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CO2浓度。该效应诱导固碳关键酶Rubisco的表达量提高，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。
相关研究成果以“Enhancing photosynthetic CO2 fixation by assembling metal-organic frameworks on Chlorella pyrenoidosa”为题，于近日以Editors' Highlights形式发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该工作的共同第一作者是DNL16博士研究生李定颐和博士后董鸿。以上工作得到国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心、国家自然科学基金、中国科学院青促会等项目的资助。（文/图 李定颐、王旺银）
