[发明专利]一种编码叶绿体碳酸酐酶基因在构建耐高浓度CO2

说明书

本发明属于微生物基因工程技术领域，具体涉及公开一种编码叶绿体碳酸酐酶基因在构建耐高浓度CO₂且快速生长的工业工程微藻中的应用。具体编码叶绿体碳酸酐酶基因在构建耐高浓度CO₂且快速生长的工业工程微藻中的应用。本发明所公开的方法为工业微藻固定工业CO₂废气奠定了基础及可行性方法。

技术领域

本发明属于微生物基因工程技术领域，具体涉及公开一种编码叶绿体碳酸酐酶基因在构建耐高浓度CO₂且快速生长的工业工程微藻中的应用。

背景技术

随着全球化石能源日益短缺，以及现代工农业的发展带来的全球气候变暖等问题，发展清洁、可再生型新能源已成为必然趋势，微藻生物能源就是其中被寄予厚望的救世主。据统计，自然界中空气中 CO₂的碳固定总量的40％是由海洋微藻等光合生物完成的。这要归功于微藻在海洋生态系统中分布广泛、具有比陆地植物更高的固碳速率和拥有较快的生长速率(微藻的代时是4-16小时)。同时，由于微藻能够利用太阳能和CO₂去合成中性脂(三酰甘油)、多糖(诸如淀粉) 和其他高附加值产品(如多不饱和脂肪酸和虾青素)，因此它们碳捕获能力正在被开发应用于清洁燃料或材料等方面的工业应用。

然而，开发微藻碳捕获应用于大规模工业CO₂碳减排和生物能源仍然面临一些巨大挑战。第一，由于工业烟道气的二氧化碳浓度是 10％-30％，这样通过微藻捕获CO₂的一个前提条件就是微藻需具有较高光合固碳效率、较快生长速率和高CO₂浓度耐受性。第二，为应对全球气候变暖和海洋酸化的日益严重，也需要认识提高CO₂浓度下微藻的响应及其机制。第三，高CO₂浓度下培养微藻，一定程度上避免了不耐受高浓度CO₂细菌或真菌的污染，满足了生物防治的要求。这样，为筛选具有高CO₂耐受表型的微藻，使用了许多研究策略，但收效甚微，主要原因有：(1)对微藻的碳固定机制缺乏系统的认识，目前认识相对较清楚的也只有蓝藻和衣藻；(2)采用传统策略诸如化学诱变、物理诱变和适应性进化等取得的筛选效果不明显；(3)在绝大多数微藻中，完善的遗传操作工具尚未建立；(4)另外，许多研究显示可耐受高浓度CO₂的微藻明显缺乏碳浓缩机制(CO₂ Concentration Mechanism，CCM)，因此，微藻CCM活性可能限制了高CO₂耐受性。

一般情况下，对于大多数微藻而言，最适宜生长的CO₂浓度是 1-5％，值得庆幸的是，由于古老的微藻生长在一个较低的CO₂浓度环境(低于0.04％)，因此绝大多数微藻都进化了一个适应低二氧化碳环境生长的CO₂浓缩机制(CCM)，这个机制主要通过碳酸酐酶和无机碳运输蛋白参与的一系列酶促反应，能够辅助浓缩碳固定位点的CO₂浓度，从而提高固碳效率。在原核生物蓝细菌和真核微藻(如衣藻、硅藻等)，CCM机制的网络模型已经基本建立，对CCM关键组分(碳酸酐酶和碳酸氢盐转运蛋白等)的调控具有了清楚的认识，并且通过基因工程手段过表达CCM相关组分基因(如碳酸氢盐转运蛋白)，能够筛选到在空气水平(0.04％CO₂)浓度下具有较快生长表型的突变株，在高等植物烟草中导入蓝细菌Rubisco能够提高光合作用效率, 但仍不能解决高CO₂浓度耐受这一瓶颈问题。但是，在高CO₂浓度培养中CCM机制通常都是关闭的，尤其是在自然界栖息在极高CO₂环境的微藻中，它们的CCM机制都是不存在的，可见，CCM活性可能影响着高CO₂的耐受性。因此，系统认识CCM代谢网络和理性工程设计是解决此瓶颈问题的必由之路。