蓝藻碳酸酐酶应用于CO2仿生矿化的基础研究

Research on biomineralization-based biomimetic strategy is growing up to be a focus in the field of CO2 capture and storage. Many studies on biomimetic CO2 storage have concentrated on the key enzyme carbonic anhydrase (CA), which catalyzes the reversible hydration of CO2. It is important to achieve highly active and special environmental tolerant (e.g. salt-tolerant) carbonic anhydrase. Further, cloning and abundant expression of CA in cell bioreactor, are crucial for commercial application. The project chooses cyanobacteria as the source of carbonic anhydrase, which is CO2-tolerant, environment-adaptable, and outstanding representative of biomineralization phenomenon. Calcifying cyanobacterium with high CO2-sequestration ability are isolated and cultured. The gene sequence of carbonic anhydrase is achieved through RNA-seq. Then, the gene is cloned and expressed abundantly. The purpose of this study is to explain: (1) the type and the expressive abundance of carbonic anhydrase gene in cyanobacteria; (2) the activity and the tolerance of carbonic anhydrase; (3) the CO2-sequestration capacity and the crystal form of carbonate in vitro. The genetically modified bacteria of carbonic anhydrase could provide biocatalyst for potential industrial application of CO2 biomimetic mineralization.

基于生物矿化现象的仿生策略是二氧化碳捕捉和封存领域新兴的研究热点。该策略的技术核心在于矿化过程的关键酶——碳酸酐酶。获得酶活性较高、且能够耐受特定环境（如耐高盐）的碳酸酐酶，并基于生物细胞反应器来克隆和大量表达，是CO2仿生矿化商业化的基础。本项目以CO2耐受、环境适应性强、生物矿化现象最突出的蓝藻作为筛选碳酸酐酶的来源。选育CO2固定能力强的钙化蓝藻藻种，通过转录组测序获得碳酸酐酶基因序列，并将酶基因片段克隆与表达，以期研究：（1）蓝藻碳酸酐酶的基因类型及表达丰度；（2）克隆表达碳酸酐酶的活性及耐受性；（3）碳酸酐酶对CO2固定能力，及在体外形成碳酸盐的晶体形式。构建的碳酸酐酶基因工程菌，为CO2仿生矿化潜在的工业化应用提供生物催化剂。

基于微藻的二氧化碳捕获与利用技术具有极大应用潜力，微藻除了光合固碳之外，还可以通过生物矿化作用将二氧化碳固定为碳酸盐沉积。本研究获得了来自于喀斯特地貌地区的高钙化能力斜生栅藻B-7和高碳酸酐酶活性小球藻EGR等钙化微藻，其环境适应性强，对碱性和金属离子具有良好耐受性。钙化微藻细胞具有较高的胞外和胞内碳酸酐酶活性，对应地，通过转录组测序找到了编码蛋白分布于细胞周质空间的α-碳酸酐酶基因、分布于细胞质的β-和γ-碳酸酐酶基因、以及分布于细胞器线粒体中的γ-碳酸酐酶基因。碳酸酐酶活性，特别是胞外碳酸酐酶活性易受环境影响，高二氧化碳浓度氛围下活性低甚至不表达。通过碳酸酐酶活性位点结合金属离子锌离子的环境浓度可调控细胞碳酸酐酶活性，从而影响微藻生长、生理活性和产品积累。环境钙离子虽然对微藻生长具有一定胁迫作用，但生物介导的净钙化量可观，生物钙化率可高达86.09%。体外模拟矿化实验和高钙环境所收获藻细胞的扫描电镜-能谱仪和热重分析证实了藻细胞生物钙化现象的发生，细胞表面沉积的矿物为针状霰石结构。此外，微生物固碳产品，如细胞蛋白质、油脂、多糖以及生物辅助合成的矿物，有潜力开发出高附加值产品加以应用。这些研究在微藻传统光合固碳的基础上辅以生物矿化加强藻细胞对二氧化碳的固定，有助于缓解微藻产品高成本的瓶颈问题，推动微藻产业的发展。