Optimización y mejora de la fotosíntesis de microalgas.

Aproximadamente 2/1 del total anual de emisiones de CO2 del mundo son fijadas en materia orgánica por las algas a través de la fotosíntesis. En comparación con las plantas superiores terrestres, el secuestro de carbono fotosintético de las microalgas tiene muchas ventajas únicas: en primer lugar, la eficiencia de la fotosíntesis de las microalgas es mayor y la tasa de crecimiento es más rápida que la de las plantas y, en segundo lugar, el cultivo de microalgas no ocupa tierras cultivables ni recursos de agua dulce, e incluso puede utilizar aguas residuales y cultivos de gases de combustión industriales. El contenido de carbono en las microalgas es cercano a 50%, que se deriva principalmente del CO2 inmovilizado, y la producción de 1 kg de biomasa de microalgas (peso seco) puede fijar alrededor de 1,8 kg de CO2. Más importante aún, la biomasa de microalgas producida se considera una fuente sostenible de bioenergía y productos bioquímicos, y maximizar el valor de los recursos de biomasa de microalgas a través del concepto de biorrefinería se ha convertido gradualmente en un punto de investigación en todo el mundo.

La biomasa de microalgas contiene una variedad de sustancias bioactivas con valor medicinal y nutricional, como ácidos grasos poliinsaturados, carotenoides, vitaminas, etc., y la biomasa de microalgas también se puede utilizar para producir una variedad de bioenergía como sustituto de la energía fósil, como el biohidrógeno. , bioetanol y biodiesel. Además, las microalgas no sólo son cebo natural para los animales de acuicultura, sino que también sirven como fuente de proteínas de alta calidad para la alimentación humana, aliviando los problemas de seguridad alimentaria.

Sin embargo, el cultivo a gran escala y la aplicación comercial de microalgas aún enfrentan los desafíos de un bajo rendimiento real y un alto costo de cultivo. La eficiencia máxima teórica de uso solar de las microalgas en el proceso de síntesis de biomasa a través de la fotosíntesis es 8%~10%, y la temperatura de las hojas es 30 °C y la concentración de CO2 es 387 mL/m3,C3 yC4Los máximos teóricos de tasas de conversión solar para plantas son 4.6% y 6%, respectivamente. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la tasa real de utilización de energía luminosa del cultivo continuo de microalgas en el laboratorio es solo de aproximadamente 3%, y la tasa de conversión del cultivo a gran escala es incluso menor. Esto indica que el cultivo de microalgas está lejos de alcanzar su potencial fotosintético y todavía hay un enorme margen de optimización en términos de la capacidad de secuestro de carbono fotosintético y el potencial de la tecnología de cultivo.

 

1.Optimización de etapas de fotorreacción en la fotosíntesis de microalgas.

La Figura 1 es un diagrama esquemático de las etapas de fotorreacción de microalgas. Al igual que las plantas superiores, las microalgas capturan la energía luminosa a través de diferentes tipos de antenas captadoras de luz (complejos captadores de luz) y la conducen al centro de reacción del fotosistema II, donde el agua oxidada libera oxígeno, produce iones de hidrógeno y electrones y, en última instancia, produce ATP y NADPH. Existe una cadena de transporte de electrones entre el fotosistema II. y I., que contiene aceptores de electrones como la plastidio quinona y el citocromo b6f (Cyt b6f). Truncar la antena captadora de luz y mejorar la eficiencia del uso de la energía luminosa son los métodos más utilizados para modificar la etapa de fotorreacción de las microalgas.

 

2.Optimización de la fase de reacción oscura de la fotosíntesis de microalgas.

2.1 Modificación de ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa

En el ciclo de la broca, la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa (Rubisco) es responsable de catalizar la reacción de 1 molécula de CO2 con 1 molécula de ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP) para generar 2 moléculas de 3-fosfoglicerato, que se considera el paso limitante de la velocidad de todo el ciclo. Rubisco es la proteína más abundante en la biosfera y forma un puente entre el carbono inorgánico y los organismos vivos. Pero al mismo tiempo, Rubisco también se considera un catalizador muy ineficiente. Por lo tanto, en las plantas superiores, Rubisco también ha sido considerado como el objetivo principal de la modificación fotosintética, que ha recibido gran atención e investigación. La estructura de Rubisco en cianobacterias, diatomeas y algas verdes es muy similar y consta de 3 subunidades grandes y 8 subunidades pequeñas. Los genes de las subunidades grandes y pequeñas del alga verde Rubisco están presentes en los genomas del cloroplasto y del núcleo, respectivamente, mientras que los genes que codifican las subunidades grandes y pequeñas de las diatomeas se encuentran en los genomas del cloroplasto. Las microalgas siempre han sido consideradas excelentes "donantes" de Rubisco, y el uso de Rubisco como fuente de microalgas para reemplazar a Rubisco en plantas superiores se considera un medio potencial para mejorar la eficiencia de la fotosíntesis y la biomasa de las plantas superiores. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de ensamblaje de Rubisco, la expresión heteróloga de la microalga Rubisco en plantas no logró resultados satisfactorios.

2.2 Construir ramas fotorrespiratorias.

La oxigenación de Rubisco produce el metabolito tóxico ácido 2-fosfoglicólico (2-PG), que necesita ser reciclado a través de la vía de fotorrespiración, pero el proceso de fotorrespiración requiere el consumo de ATP y NADPH, y la liberación de CO2 y NH3 inmovilizados; 2 moléculas de 2-PG se convierten en 1 molécula de ácido 3-fosfato glicérico (3-PGA) a través de la vía de fotorrespiración, y todo el proceso consiste en distribuirse en cloroplastos, peroxisomas, se completan nueve pasos enzimáticos en las mitocondrias y el citoplasma. y se estima que la fotorrespiración puede liberar hasta 9/1 del CO4 inmovilizado, lo que resulta en un enorme desperdicio de C y N. Sin embargo, el proceso de fotorrespiración recupera 2% de C para el metabolismo celular a partir de 2 moléculas 2-PG, lo que juega un papel muy importante. papel importante en el metabolismo celular, por lo tanto, teóricamente, la construcción de una nueva rama de fotorrespiración para evitar el desperdicio de CO75 y NH2 o aumentar la capacidad de recuperación de la liberación de CO3 puede mejorar el CO2 para aumentar la tasa de producción de biomasa. La viabilidad de este esquema se ha demostrado con éxito en el organismo modelo Arabidopsis thaliana y el cultivo oleaginoso camelina, y la rama fotorrespiratoria recién construida puede ayudar a la cepa transformada a aumentar significativamente la tasa de producción de biomasa.

2.3 Transformación del mecanismo de enriquecimiento de carbono

A diferencia de las plantas C3, la mayoría de las microalgas y las plantas C4 tienen un mecanismo de concentración de carbono (CCM) para hacer frente a concentraciones más bajas de CO2 en el medio acuático. En las cianobacterias, Rubisco está sellado en carboxisomas, mientras que la microalga eucariota Rubisco está presente principalmente en los núcleos de proteínas del cloroplasto, y la concentración de CO2 alrededor del sitio activo de Rubisco puede alcanzar más de 1000 veces la del entorno circundante a través de CCM. La anhidrasa carbónica (CA) es una enzima clave involucrada en la CCM y es responsable de catalizar reversiblemente entre HCO3- y CO2. La CCM en microalgas suele ser un mecanismo inducible que regula el nivel de expresión de CCM a través de la percepción de las concentraciones de CO2 circundantes. El cultivo a gran escala de microalgas a menudo utiliza concentraciones de CO2 muy por encima del aire, lo que puede provocar el apagado del CCM.

En resumen, se han logrado muchos avances pioneros importantes en la transformación y optimización de los sistemas fotosintéticos de microalgas mediante el truncamiento de la antena de recolección de luz, el aumento de la capacidad de recolección de luz y la utilización de la energía luminosa, la transformación del ciclo de la broca y la CCM, y la construcción del rama fotorrespiratoria. Sin embargo, el progreso general va a la zaga de la transformación y optimización de las vías de fotosíntesis de las plantas superiores, especialmente los cultivos comerciales, lo que da como resultado un potencial no aprovechado de secuestro de carbono por parte de las microalgas. Mediante la extracción de excelentes elementos fotosintéticos, factores reguladores y la construcción de nuevas vías, se puede aliviar eficazmente la limitación de los pasos de cuello de botella y se puede lograr el equilibrio energético entre las reacciones de luz y oscuridad. Además de estar regulada por la luz, la fotosíntesis también lo está por la eficiencia del consumo del producto final, lo que indica que es necesario realizar simultáneamente la modificación de las rutas metabólicas relacionadas con la fotosíntesis a nivel celular. Con el rápido desarrollo de la biología sintética, se han sentado las bases para el diseño y la construcción de cepas de ingeniería de microalgas para el secuestro de carbono de alta eficiencia que utilizan microalgas como organismos chasis fotosintéticos para el secuestro de carbono. Los métodos y conceptos de biología sintética se pueden utilizar para diseñar o sintetizar sistemas fotosintéticos con mayor eficiencia energética de la luz y eficiencia de secuestro de carbono, resistencia al fotodaño y producción de especies de oxígeno menos reactivas, independientemente de las limitaciones de las especies.

 

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