李灿团队前期通过添加胞外人工电子梭，提高了光吸收饱和点，解除了光抑制，并在光合细胞内引入纳米金，研究了暗反应固碳酶催化的限制因素。而目前，在大气水平二氧化碳浓度下，如何捕集浓缩二氧化碳并将其高效传输至Rubisco酶，提高固碳反应动力学，仍然是植物光合作用研究领域极具挑战性的课题。

本工作中，研究人员提出了化学与生物杂合的策略，在光合微藻表面自组装多孔材料MOFs，实现了二氧化碳的直接空气捕集与生物转化。研究发现，MOF材料通过静电作用在小球藻表面自组装，将空气中的二氧化碳捕获并富集于微藻细胞，使微藻光合放氧速率对二氧化碳的亲和力提高了82%。

团队通过酶动力学实验发现，小球藻分泌的胞外碳酸酐酶可将MOFs捕集的二氧化碳水合为碳酸氢根，生物膜上的转运蛋白再将碳酸氢根运输到叶绿体中的蛋白核内，从而提升了小球藻Rubisco酶周围的二氧化碳浓度。该效应诱导固碳关键酶Rubisco的表达量提高，加快了小球藻光合固碳速率。而MOFs捕集二氧化碳的功能使得微藻细胞在强化暗反应的同时，缓解了光反应在光胁迫下遭受的抑制。光能到生物质的表观转化效率从5.1%提高至9.8%。

研究人员表示，该策略是人工方法改进自然光合作用的一个新尝试。

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https://doi.org/10.1038/s41467-023-40839-0