蓝藻是一种能够进行光合作用的微生物，它们利用二氧化碳作为碳源，光作为能量源，水作为电子供体，构建复杂的生物材料，将普遍存在的材料转化为多种底物。其通过高效的光合碳封存为生物制造和应对气候变化提供了潜在途径。目前已有多种产品是在藻类中制造的，如欧米伽-3 脂肪酸、抗氧化剂虾青素和螺旋藻等。
但大多数蓝藻研究都是在 50 多年前分离的模式生物中进行的。近日，来自美国和意大利的国际研究人员联盟发现了一种从火山海底喷口中分离出来的新型蓝藻菌株“Chonkus”，这种菌株特别擅长在二氧化碳存在的情况下快速生长， 并很容易沉入水中，使其成为生物碳封存项目和生物生产有价值商品的主要候选者。
据悉，此火山位于意大利西西里岛武尔卡诺岛沿岸，由于浅火山喷口，这里的海洋二氧化碳含量丰富。
“与海洋中的所有其他分子相比，溶解碳相对较稀，这限制了生活在那里的光合生物的生长。我们决定研究一下如果去一个碳含量充足的地方缓解这个限制因素会发生什么，在那里一些生物可能已经进化出利用碳来促进生长的能力，”共同通讯作者 Max Schubert表示，他在进行这项工作时是哈佛大学 Wyss 研究所的一名研究员，现在是 Align to Innovate 的首席项目科学家。
图 | 新发现菌株的两种可能用途：一种是用于制造有价值商品的富碳生物质的现成来源，另一种是将浅海中的碳快速输送到深海进行碳封存的方法
他和通讯作者 Braden Tierney 于 9 年前相识。当时，两人都在 George Church 实验室进行研究工作，但直到 2016 年两人都在哈佛医学院 (HMS) 工作时才开始合作。
Schubert 是一名微生物学家，他对构建细菌及其基因组定向进化的工具很感兴趣，他向 HMS 空间遗传学联盟的 2019 年气候变化研讨会提交了一份提案，希望将这项工作应用于蓝藻。并获得了相应的资助。
与此同时，Tierney 受一篇浅层渗漏（浅层渗漏是海底气体渗入水中但深度足够接收阳光的区域）论文的启发，意识到在那些环境中可能生活着光合微生物，它们进化得善于从水中捕获溶解的二氧化碳。
于是，两人组建了一个联盟，最终包括来自 Wyss 研究所、HMS、威尔康奈尔医学院、科罗拉多州立大学、威斯康星大学麦迪逊分校、麻省理工学院、科罗拉多州国家可再生能源实验室和意大利巴勒莫大学地球与海洋科学系的科学家。该小组在武尔卡诺海岸附近的海洋进行了实地考察，从富含二氧化碳的浅层渗漏中采集水样，分离并鉴定了样本中的微生物。
为了诱导目标蓝藻生长，研究人员复制了快速生长的蓝藻生长所需的条件：温暖的温度、充足的光照和大量的二氧化碳。从富集培养物中分离出来后，发现了两种快速生长的蓝藻菌株：UTEX 3221 和 UTEX 3222。该团队选择重点研究 UTEX 3222，因为它是单细胞生长，这使得它更容易与现有的蓝藻菌株进行比较。
UTEX 3222 产生的菌落比其他已知的快速生长蓝藻菌株更大，其单个细胞也更大——因此得名 “Chonkus”。它的生长密度也比现有菌株更高，几乎是最近报道的高密度生长的 Synechococcus sp. PCC 11901 的两倍。细胞中似乎含有含碳储存颗粒，总体碳含量也高于其他菌株：所有这些特性对于碳封存和生物生产等应用都具有潜在的价值。
最有趣的是，Chonkus 迅速沉淀成类似于“绿色花生酱”的致密颗粒，位于其样品管底部，而其他菌株则保持悬浮状态。这种行为对于工业加工尤其有价值，因为浓缩和干燥生物质目前占生产成本的 15-30%。
图 | 与另一种常见菌株（左）相比，“Chonkus”蓝藻菌株（右）迅速沉降到装满水的试管底部，这使其更适合用于碳封存和浓缩以供其他用途。
“我们在 Chonkus 身上观察到的许多特性在自然环境中本身并不适用，但对人类却非常有用。水生生物自然生长的密度非常低，但能够在较高温度下生长到高密度对我们用于制造许多商品和产品的工业环境非常有用，并且可以帮助封存更多的碳。”Tierney 表示。
“这项研究中描述的自然进化蓝藻菌株的固有特性有可能用于工业和环境，包括生物制造有用的碳基产品或将大量碳沉入海底。虽然可以进行进一步的修改来增强这些微生物的能力，但利用数十亿年的进化对于人类缓解和逆转气候变化的迫切需要来说是一个重要的进步。”George Church 说道。
目前，UTEX 3222 和 UTEX 3221 的样本已冷冻保存，并可从德克萨斯大学奥斯汀分校的藻类培养物保藏中心公开供其他研究人员使用。
参考链接：
1.https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.00841-24
