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李燦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將其高效傳輸至Rubisco酶，提高固碳反應動力學，仍然是植物光合作用研究領域極具挑戰性的課題。

本工作中，研究人員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于微藻細胞，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再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，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%。

研究人員表示，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