硅藻蛋白外壳PyShell：探索海洋中的高效碳捕集机制，为生物工程减碳提供新思路

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964次浏览发布时间：2024-10-29 10:15:20

　　在地球的碳循环体系中，海洋微小的硅藻(diatom)发挥着至关重要的作用。虽然它们肉眼难以看见，但这些小小的硅藻每年可以固定全球多达20%的二氧化碳，成为了碳循环中的核心“捕碳者”。然而，关于硅藻如何高效捕捉二氧化碳的机制一直是个未解之谜。近日，瑞士巴塞尔大学、英国约克大学以及日本关西学院大学的科学家们合作，首次发现了一种对硅藻高效固定二氧化碳至关重要的蛋白外壳结构。这一发现有望为未来的生物工程减碳提供重要的技术支持。

　　硅藻：海洋碳循环中的“隐形”主角

　　硅藻是海洋生态系统中极为常见的藻类植物，通过光合作用吸收环境中的二氧化碳，生成有机物质，并释放氧气。这些生成的有机物不仅供给海洋中许多生物生存，同时通过沉积作用，将一部分碳埋入海洋深处，成为地质碳库的一部分。与许多植物不同，硅藻不仅效率惊人，还适应性极强，能够在不同的海洋环境中存活和繁殖。因此，硅藻在全球碳循环中的贡献不可小觑。

　　尽管硅藻在碳捕集方面的作用已经得到认可，但其碳捕集的效率与独特机制却鲜为人知。此次科学家们对硅藻的淀粉核(pyrenoid)进行了深入研究，最终揭开了硅藻中高效二氧化碳固定的秘密：PyShell蛋白外壳。这一发现为我们了解硅藻如何在细胞中高效地完成光合作用、捕获二氧化碳提供了新的视角。

　　PyShell蛋白外壳的发现：揭开硅藻高效固定二氧化碳的秘密

　　巴塞尔大学的Ben Engel教授领导的团队，联合来自约克大学和关西学院大学的研究人员，借助低温电子断层扫描(cryo-ET)等先进成像技术，对硅藻的淀粉核结构进行了精确描绘。他们在这一过程中发现了PyShell蛋白外壳，这种外壳围绕在硅藻的淀粉核周围，帮助在其中形成高浓度的二氧化碳环境，从而让Rubisco酶高效地进行碳固定。这项研究的结果分别发表在2024年10月17日的《Cell》期刊上，以题为“Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO2 fixation”和“A protein blueprint of the diatom CO2-fixing organelle”的论文呈现。

　　Manon Demulder博士表示，PyShell的存在不仅赋予了淀粉核特殊的形状，更重要的是帮助淀粉核中维持高浓度的二氧化碳环境。这一蛋白外壳的格状结构有助于将二氧化碳捕捉到指定区域，从而为碳固定过程提供最佳条件。当研究团队通过实验去除PyShell后，发现硅藻的二氧化碳固定效率显著下降，同时光合作用和细胞生长速度也减弱。这一现象表明，PyShell蛋白外壳对于硅藻的碳捕集效率具有不可替代的作用。

　　PyShell的潜在应用：为生物工程减碳开辟新路径

　　随着全球气候问题的加剧，寻找有效减少大气中二氧化碳浓度的技术成为全球研究的重点。虽然减少碳排放是最直接的解决办法，但海洋、森林等生态系统中的碳捕集功能同样不可忽视。PyShell蛋白外壳的发现不仅帮助我们深入理解硅藻的碳固定机制，也为通过生物工程手段减少大气中二氧化碳提供了可能的技术路线。

　　Engel教授指出，尽管人类首先应当减少化石燃料的使用，进而控制二氧化碳排放量，但这只是应对气候变化的短期措施。由于当前排放的二氧化碳将在大气中存留千年之久，长期来看，我们还需探索更加根本的碳捕集技术，而PyShell的发现或许可以为此提供一种全新的思路。

　　借助PyShell蛋白的结构特性，科学家们有望开发出改进的光合作用机制，使植物或人工光合系统在二氧化碳捕集方面的效率进一步提升。例如，通过将PyShell的特性引入其他植物或藻类，或设计仿生系统，科学家或许可以打造出一种具有高效碳固定能力的生物系统，用于帮助减少大气中的二氧化碳含量。

　　基础研究的未来展望：为碳捕集创新铺路

　　尽管将PyShell用于生物工程的碳捕集技术尚需更多的研究，但这一发现为未来的创新提供了坚实的基础。Engel教授团队计划继续研究硅藻中PyShell的分子机制，进一步揭示其在二氧化碳捕集中的作用，以期为其他生物体的碳固定提供理论支持。

　　从长远来看，PyShell的发现或将推动全球碳捕集技术的升级与变革。在当今人类面临的气候挑战日益严峻的背景下，像PyShell这样能提高生物系统碳捕集效率的研究显得尤为重要。尽管二氧化碳减排是全球应对气候变化的当前关键手段，但在减少碳排放的同时，开发有效的碳捕集技术更是应对气候变化的关键补充。未来，PyShell的特性可能为构建更加有效的碳捕集技术开辟全新道路，从而为地球的可持续发展贡献一份力量。

　　综上所述，硅藻中的PyShell蛋白外壳的发现揭示了海洋碳循环中的一个重要环节，为生物工程领域提供了一个崭新的研究方向。通过借鉴硅藻的碳捕集机制，我们有望创造出更加高效的碳捕集生物技术，为应对全球气候变化提供新的科学手段。

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