关于金属有机框架在增强绿球藻（Chlorella pyrenoidosa）光合作用和调节其初级代谢过程中所起协同作用机制的见解

《Bioresource Technology》：Insights into the synergistic mechanisms of metal-organic frameworks in boosting photosynthesis and modulating primary metabolism of Chlorella pyrenoidosa

本研究利用基于卟啉的金属有机框架（MOFs）协同增强微藻光合作用及初级代谢，实验表明MOFs显著促进小球藻生长、细胞分裂及光化学效率，通过调控淀粉、糖原及氨基酸合成途径，提高蛋白质、脂质和碳水化合物产量，为人工MOFs应用于微藻生物资源生产提供机制证据。

　　

薛慧丹|张洋|何飞|田乐杰|李本强|邓兆龙|田天|李东升|刘建西

陕西科技大学食品科学与工程学院，中国西安710021

摘要

在全球变暖的背景下，微藻不仅通过光合作用有助于实现碳中和，还能产生具有经济价值的生物质。然而，在微藻生长和代谢的纳米材料调控机制方面仍存在挑战。本研究探讨了基于卟啉的金属有机框架（MOFs）在促进小球藻（Chlorella pyrenoidosa）光合作用和调节其初级代谢过程中的协同作用。实验结果表明，MOFs显著促进了微藻的生长并加速了细胞分裂速率。MOFs提高了PSII的光化学效率及光合色素含量，促进了电子从Q_A到Q_B的转移，同时增强了藻细胞的电子传输能力。代谢组学分析发现786种差异表达的代谢物，主要富集在与细胞代谢相关的途径中。通过上调三种关键途径——淀粉和蔗糖代谢、甘油脂代谢以及氨基酸生物合成——MOFs促进了淀粉的产生，将碳水化合物流向脂质合成（增加了脂质产量），并提高了氨基酸水平，从而提高了蛋白质的总产量。这些发现表明MOFs对微藻的光合作用、生物质合成以及代谢调节具有多方面的影响。本研究为利用人工MOFs调节代谢途径以增强微藻生物资源生产提供了证据。

引言

过量的二氧化碳排放引发了全球变暖，成为21世纪最严峻的挑战之一（Li等人，2022；Baskaran等人，2024）。为了实现碳中和，探索新型清洁和可再生能源以减少排放是一种理想的方法（Chen等人，2022）。另一方面，碳固定方法代表了消耗不可避免的碳排放的最佳解决方案，主要包括物理、化学和生物方法（Chen和Xia，2024）。其中，生物精炼厂是一种受欢迎且碳中性的替代方案（Culaba等人，2023）。但研究表明，生物碳封存是最经济、安全和有效的碳固定方法（Li等人，2020a；Li等人，2020b；Lee等人，2023）。

微藻是一种极具前景和多功能性的生物资源，其二氧化碳固定能力是陆地植物的10到50倍（Xu等人，2019）。它们能够直接捕获和转化太阳能，同时消耗二氧化碳，并且对外部能量输入的需求极低，使其成为可持续管理策略的理想候选者（Xiong等人，2023；Cheng等人，2025；Zhang和Liu，2021）。微藻不仅可以封存二氧化碳以减少排放，还可以作为生物燃料生产的可再生资源。此外，它们在食品制造、制药和抗衰老化妆品领域也有广泛的应用（Araújo等人，2021；Diao等人，2024）。值得注意的是，小球藻和螺旋藻已经达到了成熟的商业化阶段，被广泛用于生产营养补充剂、医药化合物和可再生生物燃料（Al-Mamoori等人，2017）。在用于碳封存的多种微藻中，淡水菌株如小球藻、螺旋藻 platensis和Scenedesmus应用最为广泛（Wang等人，2018；Mondal等人，2016）。小球藻 pyrenoidosa（C. pyrenoidosa）是一种单细胞绿色微藻，以其快速生长率、易于培养以及高含量的蛋白质、类胡萝卜素、多糖和维生素而著称（Bhatnagar等人，2024；Sheng等人，2007）。特别是C. pyrenoidosa作为二氧化碳封存的模型微藻物种，展现了卓越的碳固定能力（Zhang和Liu，2021），较高的二氧化碳浓度显著提高了其生长速率（Lee等人，2000），使其具有大规模生产生物柴油的巨大潜力，成为化石燃料的可持续替代品（Rohman等人，2024）。

尽管具有这些优势，微藻的工业应用仍面临光合效率低和运营成本高的问题（Li等人，2023a；Li等人，2023b）。为了解决这些问题，人们探索了包括诱变育种、基因调控和纳米材料补充在内的新兴技术来提高碳固定效率（Schmid和Schwarze，1969；Mony等人，2022）。在微生物育种领域，诱变育种利用诱变剂诱导基因突变，然后选择表型改善的突变株。这种方法具有操作简单和突变株产量高的优点；然而，它耗时、劳动密集，并且突变具有随机性，使得定向基因改良变得困难（Perin等人，2015）。与传统技术相比，基因工程在微藻等生物体中展现出巨大潜力。它能够精确调控目标基因，提高光合效率、促进生长并优化产物合成。虽然其定向性优于随机诱变，但基因工程受到操作复杂性、高成本以及关于转基因生物生物安全性的持续争议的限制（Xin等人，2024；Catherine等人，2024）。最近的研究表明，基于碳的纳米材料可以通过增强光捕获能力来提高微藻的光合性能和二氧化碳固定效率，从而为微藻中生物活性化合物的有效合成提供新的途径（Vargas-Estrada等人，2020；Agarwal等人，2022）。

金属有机框架（MOFs）是一类多孔纳米材料，因其独特的结构特性、高孔隙率、可调化学性质、稳定性和多功能性而受到关注（Yin等人，2025），广泛应用于气体储存/运输、生物医学工程、催化和传感技术（Pettinari等人，2017）。由于其纳米级尺寸和生物相容性，MOFs在生物医学研究中尤其具有前景。例如，基于卟啉的感光MOFs实现了靶向光动力疗法（PDT）等创新治疗方法（Park等人，2016）。此外，MOFs具有生理稳定性，在进入人体或其他生物系统后仍能保持其结构完整性和功能（Cai等人，2020）。基于卟啉的MOFs通过其多孔结构表现出优异的二氧化碳吸附能力，而其固有的光敏感性使其能够模拟光合作用（de Morais等人，2023）。这种独特的组合实现了微藻光合效率的多维度提升。

在这里，我们系统研究了使用基于锆的卟啉MOFs对微藻光合效率和碳封存能力的影响。PCN-224纳米颗粒通过溶剂热法合成，然后通过聚电解质进行功能化。C. pyrenoidosa与功能化的卟啉MOFs以5 mg/L的浓度共培养。此外，我们的研究从多个层面系统评估了MOFs的影响，以阐明其作用机制。通过对生长生理（细胞分裂和生物量积累）和光合性能的详细评估，并结合非靶向代谢组学方法，提供了MOF共培养引起的生理和代谢变化的综合视角。本研究揭示了合成MOFs如何调节微藻代谢的机制，为增强生物碳封存和推进碳中和目标提供了新策略。

部分摘录

MOFs的制备和表面功能化

PCN-224的合成方法参考了Park J.（Park等人，2016）的报告。简要来说，将100 mg的meso-四（4-羧基苯基）卟啉（H₂TCPP）、300 mg的八水合氧化锆（ZrOCl₂·8H₂O）和2.8 g的苯甲酸（BA）溶解在250 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，然后在250 mL圆底烧瓶中于90°C（300 rpm）下搅拌5小时。完成后，通过离心（15,000 rpm，30分钟）收集PCN-224纳米颗粒，并清洗三次

MOFs的特性分析

通过UV–Vis吸收光谱分析了MOFs的光物理性质。PCN-224在415 nm处显示出最大吸收峰（图1a），而PCN-224@PSPMK在422 nm处显示出红移峰（图1b），这种红移表明修饰结构中的共轭作用增强。图1c和图1d显示修饰后PCN-224的ζ电位发生了变化。原始的PCN-224带正电荷，而修饰后的PCN-224@PSPMK带负电荷

结论

本研究表明，MOFs PCN-224@PSPMK（5 mg/L）促进了C. pyrenoidosa的生长，使生物量增加了11.12%，细胞密度也有所增加。它显著提高了C. pyrenoidosa中的蛋白质、脂质和碳水化合物的产生，并通过促进能量捕获、电子转移和减少能量耗散增强了光合活性。代谢组学分析发现了786种差异表达的代谢物，其中淀粉和蔗糖代谢途径明显上调

未引用的参考文献

Liv等人（2022）。

CRediT作者贡献声明

薛慧丹：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取。张洋：撰写 – 原始草稿、方法学、研究、正式分析。何飞：方法学、正式分析。田乐杰：方法学、研究。李本强：方法学。邓兆龙：软件。田天：资源获取。李东升：监督、资源。刘建西：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32100303和52475216）、中国博士后科学基金（2020M683549）以及陕西省自然科学基础研究计划（2022JQ-216）的支持。