工業微藻能夠將陽光和煙道氣直接轉化為生物柴油，因此是應對全球氣候變暖的重要舉措之一。然而煙道氣中高濃度的CO₂及其導致的酸性培養條件，往往抑制了微藻的生長，因此提高CO₂耐受性是設計與構建超級光合固碳細胞工廠的關鍵瓶頸之一。近期，青島能源所單細胞中心通過逆轉進化時針的研究思路，率先闡明了工業微藻應對高濃度CO₂的機制，并開發出高CO₂耐受的工業產油微藻細胞工廠。這一工作不僅對于工業煙道氣直接轉化生物柴油具有應用價值，對于人類生存空間的拓展也有重要意義。該成果于3月21日在線發表于《Metabolic Engineering》。

　　人類活動排放的CO₂等溫室氣體，導致了全球氣候變化和海洋酸化等重大環境和社會問題。利用工業產油微藻將煙道氣等工業CO₂排放源直接轉化為柴油等先進生物燃料，對于減少溫室氣體排放、遏制全球氣候變暖具有重大的戰略意義。包括微藻在內的海洋浮游植物適應了當前地球大氣0.04%的CO₂含量，每年固定了全球CO₂固定量的40%。但是，煙道氣中的CO₂含量高于5%，是大氣碳含量的百倍以上。由此導致的培養環境酸化，在降低了生物污染發生幾率的同時，也通常會抑制工業產油微藻的生長與繁殖，從而大幅度降低了工業生物固碳產油過程的經濟性。微擬球藻（Nannochloropsis spp.）是一種在世界各地均可室外大規模培養的工業產油微藻。它們具有生長速度快、二氧化碳耐受能力強、海水淡水均可培養、遺傳操作較完善等突出優點。單細胞中心魏力等研究人員，提出其利用和耐受CO₂均與碳濃縮機制（Carbon Concentrating Mechanism; CCM）有關的科學假設。首先，運用系統生物學思路，結合亞細胞定位等研究手段，挖掘到與高CO₂應激相關的一個關鍵靶點，即位于細胞質內的一個特殊的碳酸酐酶（Carbonic anhydrase；CA2）。與5% CO₂培養下相比，CA2在極低CO₂濃度下被特異性地激活，因此是CCM系統感受與應對環境中CO₂濃度的關鍵基因。

　　進而，研究人員提出，既然CCM是藻類從遠古大氣（高濃度CO₂環境）逐漸適應當前大氣（低濃度CO₂環境）的進化結果，如果人為地破壞或抑制CCM活性，是否能夠“逆轉進化的時針”，人為實現工業微藻的“返祖”，從而恢復其對高濃度CO₂的適應性呢？實驗證明，在5% CO₂下，靶向敲低CA2基因的工程微擬球藻株，其生物質產量能提高超過30%，而且含油量不受影響。這一優良性狀在多種類型的光培養設施和多種空間尺度的培養規模下均能展現，而且具有相當的遺傳穩定性。進一步研究發現，CA2的敲低，顯著改善了胞內pH值微環境，從而緩解了胞外高濃度氫離子對于細胞的毒害作用，最終維持了生物量的增長（圖1）。有趣的是，工程藻株的生長優勢只在煙道氣培養條件下展現，若在空氣濃度CO₂下，工程藻株則喪失了生長優勢。因此，本研究不僅證明工業微藻CO₂含量適應性可以理性調控，而且發明了一種原創的工程藻株生態控制策略。

　　如何提高糧食和能源作物的CO₂利用效率，一直是業界孜孜以求的目標?，F有的工作通常以CCM活性的促進和提高為核心思路，以提高作物的固碳效率。本研究“反其道而行之”，首次提出，通過逆轉CCM的進化腳步，抑制其活性，能夠提高作物在高CO₂條件下的產量。

　　這一新思路不僅對于工業煙道氣直接轉化生物柴油具有應用價值，對于人類生存空間的改造與拓展也有啟發。例如，作為除金星外距離地球最近的行星，火星是最有希望實現載人登陸的地外行星，乃人類未來移民的首選目的地。但是火星大氣中95%是CO₂，因此火星大氣組成的改造是人類大規模殖民火星的前提。本研究展示的高CO₂耐受性的工業微擬球藻，不僅能夠將CO₂轉化為氧氣，而且能夠按需生產生物柴油和食用油脂，因此或許可作為第一代火星移民，肩負改造火星大氣層的重任。 

　　這項工作由青島能源所單細胞研究中心徐健研究員與德國魯爾大學Ansgar Poetsch教授主持，同時得到了中科院水生所的胡強研究員和胡晗華研究員等的幫助。該研究獲得了中科院CO₂重點部署項目、研究所“一三五”項目和國家自然科學基金的支持。（文/圖 魏力）

論文：Wei Li, et al, Knockdown of carbonate anhydrase elevates Nannochloropsis productivity at high CO₂ level

https://doi.org/10.1016/j.ymben.2019.03.004