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中研院長率隊 中研院團隊發現增加生物固碳新法

中研院團隊發現自然界的碳平衡研究,開啟新契機。資料來源/中研院提供
中研院團隊發現自然界的碳平衡研究,開啟新契機。資料來源/中研院提供

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中央研究院長廖俊智團隊及蔡明道院士團隊,發現一種增加海中藍綠菌光合作用的新方法,使藍綠菌吸收二氧化碳(稱為固碳)的速率增加約60%,為自然界的碳平衡研究開啟新契機。此研究成果刊登在今年6月國際期刊《自然代謝》(Nature Metabolism)。中研院5日表示,此項生物固碳新法,可望助攻碳平衡!

自然界的碳平衡主要由陸地及海洋生物的光合作用、呼吸,及分解作用所達成,然而自工業革命以來,人類使用化石燃料每年排出約360億公噸二氧化碳,嚴重破壞了自然界的碳平衡。為改善長久以來的問題,已有廣泛探究植物及藍綠菌控制固碳作用的機制,但在藍綠菌中卻有一種酵素「磷酸乙酮酶」(phosphoketolase),其生理功能仍是未解之謎。

中研院指出,兩團隊首先發現,「磷酸乙酮酶」是藍綠菌固碳循環中的煞車裝置之一,在快速變化的光影環境中,能隨著細胞內能量(ATP)高低,在幾秒內以代謝調控方式阻斷固碳反應,避免對細胞做無益的固碳反應,減少能量消耗。

而且研究團隊進一步發現,若將此煞車分子移除,藍綠菌的固碳速率,竟可增加60%。廖俊智解釋,「對藍綠菌而言,或許是無謂固碳,對細胞本身運作循環影響不大,但對整個地球而言,卻是可幫助碳平衡的契機。」團隊還意外發現,藍綠菌可將增加的二氧化碳吸收量轉化成蔗糖並排出胞外,這項發現將來可做為發展快速生產蔗糖技術的基礎。

為了解此作用機制,團隊以冷凍電子顯微鏡分解煞車分子的結構,並找出其如何以胞內能量(ATP)調控其煞車力道的機制。因煞車是藉著ATP從酵素解離,可以在幾十毫秒發生。蔡明道表示,「原本以為此分子是利用已知的ATP結合位點進行調控,沒想到竟然發現一個全新的結合方式,此新結合域在自然界多種生物中存在,可見其重要性。」

廖俊智指出,此項成果為目標導向與好奇導向研究的相互激盪,也縮短了基礎研究與實際應用的距離,更為解決碳平衡問題提供新契機。

中研院表示,該論文全名「An ATP-sensitive phosphoketolase regulates carbon fixation in cyanobacteria」,共同第一作者為中研院生物化學研究所呂冠箴博士後研究員,及張瓊文博士後研究員,研究經費由中研院支持,論文連結:https://www.nature.com/articles/s42255-023-00831-w

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