科学家揭秘硅藻固碳机制

Daphane

來源:大紀元



法国加勒比海马提尼克岛勒弗朗索瓦海岸附近许多海藻被冲上岸，其中不乏一些浮游藻类。(Olivier Morin/AFP via Getty Images)

【大纪元2024年11月09日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）最近瑞士、英国和日本的大学在共同研究海洋硅藻时发现，它们会利用独特的固碳机制，将二氧化碳浓缩储存于身体特殊部位，以便用于光合作用上面。研究人员表示，这项发现有利于改善现有的生物碳捕获技术。

硅藻是海洋中最主要的浮游植物群之一，能透过叶绿体的光合作用，将空气中的二氧化碳转换成营养物质和氧气，且全球大约有近20%的二氧化碳是透过这些生物进行消耗，它们还为广阔的海洋生物网提供能量。

过去，人们只知道这些藻类透过类囊体膜内的叶绿素收集来自阳光的能量，然后用于帮助加氧酶（RuBisCO）基质固定二氧化碳，但人们对于硅藻如何有效地吸收和储存二氧化碳的机制却知之甚少。

这次，拥有560多年历史的瑞士巴塞尔大学（University of Basel）、英国约克大学（University of York）和日本关西学院大学（Kwansei-Gakuin University）的研究人员在合作研究中发现，硅藻体内的独特蛋白质和酵素（酶）能够把二氧化碳牢固控制和吸收，以此帮助它进行生长和光合作用。该研究结果于今年10月发表在《细胞》杂志上。

研究人员透过冷冻电子断层扫描（cryo-ET）等尖端成像技术，观察两种常见的藻类——羽状硅藻（P. tricornutum）和中心硅藻（Thalassiosira fakenana），发现这些硅藻体内狭长的皮壳蛋白类囊体（PyShell，硅藻蛋白质壳）可以将加氧酶基质紧紧包裹在小隔间中，使基质可以更有效地捕捉和浓缩二氧化碳。这些硅藻再利用它们捕获到的浓缩二氧化碳进行光合作用，最终产生所需的营养物质（以糖类为主）和氧气。

研究人员还发现，羽状硅藻的皮壳蛋白类囊体形状笔直，中心硅藻的皮壳蛋白类囊体略为弯曲且分成前后二段。它们的皮壳蛋白类囊体是蛋白质亚基的重复晶格形成，且这些类囊体内管腔中常含有致密的颗粒可以移动，可以像钱包或密封袋的拉链一样随时密封加氧酶基质，使其更好地作用于二氧化碳。

为了进一步了解皮壳蛋白类囊体在硅藻体内的作用，研究人员把藻类中与皮壳蛋白类囊体的相关基因移除。结果显示，加氧酶基质出现破碎现象，使原本强而有力的固定二氧化碳能力严重受损，并严重抑制硅藻的生长能力，而硅藻本体的叶绿体含量也出现骤降。

另外，他们在查询藻类的海洋基因图谱时发现，多数的海洋藻类都存在皮壳蛋白类囊体基因，且与二氧化碳的浓缩机制（CCM）相关，而这些藻类约占海洋固碳量的一半数量，对于全球固碳和碳循环有着巨大的影响力。

主要研究作者、巴塞尔大学生物研究中心研究结构生物学与冷冻电子断层研究员曼农·德穆尔德（Manon Demulder）对巴塞尔大学的新闻室表示，“我们现在发现硅藻蛋白核被包裹在晶格状的蛋白质壳中，有助于它身体的隔间产生高浓度的二氧化碳，并让体内的加氧酶能够有效地将二氧化碳转化为营养物质。”

她还表示，“我们希望皮壳蛋白类囊体等发现，能够帮助激发新的生物技术应用，改善光合作用，并从大气中捕获更多二氧化碳。这是一项长期的目标，因此我们现在进行基础研究非常重要。”