微量元素锌通过促进CO2浓缩机制增强碳固定效率的分子机制研究

针对微藻碳固定效率受限于CO2浓缩机制（CCM）的难题，研究人员创新性提出利用微量元素Zn2+强化CCM的策略。实验证实10?μM Zn2+可使微藻生物量提升14.75%，碳固定效率提高16.46%，并通过激活碳酸酐酶（iCA）和Rubisco活性（分别增加25.90%和55.87%）加速HCO3?转化。蛋白质组学揭示Zn2+通过调控光合磷酸化与碳代谢通路为CCM提供能量支持，为CO2资源化利用提供新思路。

　　

随着工业CO₂排放导致全球变暖加剧，微藻驱动的CO₂吸收-转化（CAMC）技术因其能将CO₂转化为高附加值生物质而备受关注。然而，该技术面临核心瓶颈——水中CO₂溶解度低导致碳固定效率不足。虽然CAMC系统通过化学吸收剂将CO₂转化为HCO₃^?缓解了这一问题，但微藻对HCO₃^?的转化速率仍受限于CO₂浓缩机制（CCM）效率。现有通过外源添加碳酸酐酶（CA）或基因工程改造的方案存在成本高、稳定性差等缺陷，亟需开发更经济高效的CCM调控策略。

天津大学（根据致谢部分"Key Research and Development Program of Tianjin"推断）的研究团队另辟蹊径，聚焦微量元素锌（Zn²⁺）——这一CA酶的关键辅因子，系统探究了其对CCM的调控机制。研究发现，适量Zn²⁺（10?μM）处理使螺旋藻（Spirulina platensis）生物量提升14.75%，碳固定效率提高16.46%，相关成果发表于《Algal Research》。

研究采用多尺度技术路线：通过低CO₂（空气）、高CO₂（2.5%）和CA抑制剂（Ethoxyzolamide）三重实验验证Zn²⁺作用靶点；利用酶活检测量化iCA和Rubisco活性变化；结合蛋白质组学解析代谢通路调控网络。

关键研究发现

1. 生长特性与色素合成

   Zn²⁺处理组叶绿素a和藻蓝蛋白含量显著增加，表明其促进光系统发育。低浓度Zn²⁺（<20?μM）促进生长，而高浓度（50?μM）产生抑制，证实"剂量-效应"关系。

2. CCM核心酶激活

   iCA活性提升25.90%，加速HCO₃^?→CO₂转化；Rubisco活性激增55.87%，直接推动卡尔文循环固碳效率。CA抑制剂实验证实Zn²⁺作用依赖于CA活性。

3. 能量-碳代谢重编程

   蛋白质组学显示：

   • 光合电子传递链（PSII/PSI）和ATP合成酶表达上调，为CCM提供能量支持

   • 卡尔文循环、糖酵解和三羧酸循环（TCA）关键酶表达增强，构建"碳源-能量"协同供应网络

   • HCO₃^?转运蛋白表达量增加，完善CCM的底物输送体系

研究意义

该研究首次阐明Zn²⁺通过"CA激活-能量供应-碳代谢重塑"三位一体机制强化CCM，突破性地将微量元素调控与碳固定工程相结合。相比外源CA添加方案，Zn²⁺策略具有成本低（微量元素价格低廉）、稳定性高（内源诱导表达）、操作简便（直接培养基添加）三大优势，为CAMC系统的工业化应用提供关键技术支撑。此外，发现的Zn²⁺与光合磷酸化偶联机制，为人工设计"能量-固碳"耦合系统提供理论模型。

未来研究可进一步探索：① Zn²⁺与其他微量元素（如Fe、Mn）的协同效应；② 不同藻种对Zn²⁺响应的保守性；③ 基于蛋白质组数据构建CCM调控网络模型。这项研究从微量元素视角开辟了碳固定强化新路径，对实现"双碳"目标具有重要实践价值。