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青島能源所揭示工業產油微藻二氧化碳濃縮機制全局特征
2019-07-04 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:單細胞中心
    
  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。利用微藻將工業源CO2直接轉化為生物燃料,在碳中性能源體系的建設中具有重要的戰略意義。但是,工業微藻如何高效固定CO2呢?青島能源所單細胞中心等發現,作為一種工業產油微藻,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系統結構藍圖的揭示,為在工業微藻中設計和改造“超級二氧化碳固定模塊”奠定了基礎。

  目前地球大氣中的CO2含量約0.04%。為了將環境中如此低濃度的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,自養生物進化出了形形色色的CCM系統,在細胞代謝網絡中主動地供應或回收無機碳分子。因此,CCM系統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、在室外大規模培養的工業微藻,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點,因此已經成為工業產油微藻分子育種的主要研究體系之一,也支撐著國內外許多微藻規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錄組、蛋白組和代謝組等系統生物學手段,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系統結構藍圖。研究發現,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現,為在工業產油微藻中系統性地設計和構建“超級二氧化碳固定模塊”奠定了基礎。

  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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