天津工业生物所等在植物底盘二氧化碳捕集利用系统仿生构建方面取得进展

   引自：http://www.tib.cas.cn/xwzx_104015/kyjz/202309/t20230906_6873165.html

      天然光合生物系统存在吸收光谱窄、电子传递链复杂且能量损失大等瓶颈问题。通过构建人工系统、设计更为高效的固碳模块以及开发多能转化生物装置等，有望突破天然系统关键瓶颈，实现光能驱动的二氧化碳高效资源化利用。目前，针对天然光合生物固碳系统的人工改造主要集中于二氧化碳捕集系统、羧化酶的设计与优化等。但由于羧酶体或蛋白核等系统组成及结构复杂，其异源组装与重构难度极大且功能有限。同时，由于人们对于羧化酶复合体的有效组装及作用机制了解有限，对其耐氧性改造进展也较为缓慢。因此，需要在该领域持续取得突破，以推动植物底盘以及人工生物系统的发展进程。 

　　针对上述问题，中国科学院天津工业生物技术研究所赵磊研究员带领的植物细胞工程与代谢团队与体外合成生物学中心朱之光研究员、内蒙古农业大学季祥教授和华北理工大学王巍杰教授等联合开展工作，基于天然植物底盘二氧化碳捕集利用系统作用机制研究基础，创建了体内和体外高效耦合的人工固碳仿生系统（Electrolysis and Ionic Membranes system, EIMs），显著提高了天然生物系统的二氧化碳捕集转化利用效率，并在企业吨级测试中取得良好效果。 

　　首先，研究团队基于植物底盘二氧化碳浓缩系统的作用机理，设计了EIMs系统阴极室。该腔室可快速吸收空气中的二氧化碳，并形成固体载体碳酸(氢)盐。然后，采用阴离子选择性膜模拟植物碳酸(氢)盐通道蛋白功能，既可实现碳酸(氢)盐在生物培养室内的富集利用，又能解决阳离子毒害问题。同时，透过阳极室双极膜的氢质子可进入生物培养室，与碳酸(氢)盐结合而形成碳酸，调控pH促进生物高效固碳。而由阴极室还原反应所生成的强碱性环境，又可快速循环固定空气中的二氧化碳。基于进一步的生物培养测试发现，该仿生系统循环固定二氧化碳效率可达95%以上，有效缓解了二氧化碳直通水溶液所造成的逃逸问题，且胞内代谢产物未受影响。最后，碳足迹生命周期评价结果显示：与传统培养方式相比，EIMs系统的全球变暖潜能值进一步降低了92%。该研究从植物底盘碳二氧化碳捕集利用原理出发，所创建的仿生系统可有效提高天然生物系统固碳转化效率。这既是对现有植物底盘人工固碳改造理论的拓展，也为其他人工生物体系的开发提供了参考。 

　　该研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院人才计划和天津市合成生物技术创新能力提升行动的支持。相关成果已发表在Green Chemistry期刊，并获授权专利1项。天津工业生物所助理研究员侯余勇和硕士研究生韩童为论文共同第一作者，赵磊研究员和陈方见副研究员为共同通讯作者。