新发现揭示了硅藻如何如此有效地捕获二氧化碳

海洋中的微小硅藻是捕获二氧化碳的高手，它们固定了地球上多达 20% 的二氧化碳。巴塞尔大学的一个研究团队最近发现了这些藻类中一种关键的蛋白质外壳，这对于高效的二氧化碳固定至关重要。这一突破性的发现为通过生物工程手段减少大气中的二氧化碳提供了新的思路。

在冷冻电子断层扫描的样品制备步骤中，硅藻（蓝色/白色/黄色）冷冻在电子显微镜网格（铜）上

硅藻小到肉眼无法识别，但它们是海洋中生产力最强的藻类物种之一，在全球碳循环中扮演着重要角色。通过光合作用，它们从环境中吸收大量二氧化碳，并将其转化为养分，供给海洋中的大部分生命。尽管它们的重要性显而易见，但硅藻为何能够如此高效地完成这一过程，仍然在很大程度上未知。

由巴塞尔大学生物中心的本·恩格尔教授领导的研究团队，与英国约克大学和日本关西学院大学的研究人员合作，现已发现一种在硅藻二氧化碳固定过程中起关键作用的蛋白质外壳。通过使用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）等尖端成像技术，研究人员揭示了所谓的PyShell蛋白质外壳的分子结构，并解读了其功能。研究结果已发表在《细胞》期刊的两篇文章中。

PyShell 对高效二氧化碳固定至关重要

在植物和藻类中，光合作用发生在叶绿体中。在这些叶绿体内，类囊体膜通过吸收太阳能，帮助酶Rubisco固定二氧化碳。

硅藻蛋白核的分子结构，显示了 Rubisco 如何被 PyShell 包围从而提高了 CO2 固定的效率

然而，藻类有一个优势：它们将所有的Rubisco集中在称为淀粉体的小隔室中，在那里可以更高效地捕获二氧化碳。“我们现在发现，硅藻的淀粉体被一个类似晶格状的蛋白质外壳包裹，”两篇文章的作者之一马侬·德穆尔德博士说道。“PyShell不仅赋予了淀粉体形状，还在此隔室中创造了高浓度的二氧化碳环境。这使得Rubisco能够高效地从海洋中固定二氧化碳并将其转化为养分。”

当研究人员从藻类中去除PyShell后，它们固定二氧化碳的能力显著下降。光合作用和细胞生长也有所减少。“这向我们展示了PyShell对于高效碳捕获的重要性——这一过程对海洋生命和全球气候至关重要，”马侬·德穆尔德说道。

生物工程能减少二氧化碳吗？

PyShell的发现也为应对气候变化这一当今最紧迫的挑战的生物技术研究开辟了有前景的路径。“首先，我们人类必须减少二氧化碳排放，以减缓气候变化的速度。这需要立即采取行动，”本·恩格尔说道。

“我们现在排放的二氧化碳将会在大气中滞留数千年。我们希望像PyShell这样的发现，能够激发新的生物技术应用，以改善光合作用并从大气中捕获更多二氧化碳。这些是长期目标，但鉴于二氧化碳排放的不可逆性，重要的是我们现在开展基础研究，以为未来的碳捕获创新创造更多的机会。”