View source for Vključevanje molekularne antene v celice mikroskopsko majhnih kremenastih alg (diatomej) za izboljšanje fotosintetske učinkovitosti

== UVOD ==

Fitoplankton ima zelo dober industrijski potencial za proizvodnjo novodobnih bio-goriv in biomase. V tem kontekstu je posebej zanimiva predvsem skupina kremenastih alg (diatomej), največja skupina mikroskopsko majhnih alg - mikroalg, ki skrbijo za primerne pH vrednosti morske vode in regulacijo količine CO2 v atmosferi. Prav tako pa so največji proizvajalec kisika v morskem ekosistemu. V preteklosti so se lotili optimizacije fotosintetske učinkovitosti z genskim inženiringom, na katerega so sprva stavili pri povečanju uporabnosti diatomej. Vendar pa se je ta tehnologija izkazala za neuporabno zaradi visokih stroškov in težav pri izvedbi. Kasneje so se namesto tega poslužili modifikacije mikroalginih celic z dodajanjem barvil, ki bi vplivala oz. zapolnila luknje v spektru absorpcije svetlobe, potrebne za fotosintezo. Vsa barvila niso bila učinkovita (barvila rodamini in BODIPY so se izkazala za toksična in bio-nekompatibilna), saj so uničila celice uporabljenih vrst mikroalg. Ugotovili so, da mora barvilo, ki bo učinkovito za uporabo izpolnjevati določene kriterije: 
* barvilo ni toksično za organizem (biokompatibilnost), 
* absorpcija in emisija svetlobe je v določenem delu spektra, ki je ugoden za energijski prenos med barvilom in algino fotosintezno enoto, 
* barva mora imeti amfifilno kemijsko strukturo, da se hkrati učinkovito razprši v vodi in z lahkoto integrira v membrane mikroalginih celic [1]. 

== METODE ==

V članku je opisan mehanizem izboljšanja fotosintetske učinkovitosti z dodajanjem molekularnega barvila Cy5. Le to je bilo dodano gojišču mikroalg, ki se je ''in vivo'' z lahkoto integriralo v notranjost celic kremenaste alge ''Thalassiosira weissflogii''. Barvilo je tako delovalo kot umetna antena. Cy5 je bilo izbrano na podlagi komercialne dostopnosti, primernosti za uporabo v tehnikah slikanja biomolekularnih sistemov, amfifilne kemijske strukture in ker so absorpcijske ter emisijske lastnosti svetlobe Cy5 primerne za shranjevanje in prenos energije na klorofil alge ''Thalassiosira weissflogii'' (Cy5 absorbira svetlobo v območju 570-650 nm in odda pri 660 nm, kjer je absorpcija klorofila ''a'' pri kremenastih algah maksimalna). Cy5 je s tem delno zapolnila absorpcijsko luknjo v oranžnem delu spektra kremenastih alg in tako povečalo celično rast in proizvodnjo biomase. V eksperimentu, so kremenaste alge z dodanim barvilom Cy5 in brez, izpostavili temno:svetlemu ritmu (8h:16h). S kontrolnima poskusoma so preverjali ali do izboljšanja pride zaradi povečane učinkovitosti fotosinteze ali samega barvila, neodvisno od procesa fotosinteze. Pri prvem kontrolnem eksperimentu so raziskovalci kremenaste alge gojili v popolni temi, pri drugem pa so jih izpostavljali modri svetlobi (410-450 nm). Dodatne meritve ter opazovanja so opravili tudi s konfokalno mikroskopijo in časovno rešeno fluorescentno spektroskopijo. Spekter absorpcije pigmentov so ocenili z UV-VIS spektrofotometrom [1]. 

== REZULTATI ==

Dodatek barvila Cy5 v gojišče diatomej je povečal delitev celic za 40 % (vidna razlika s kontrolno skupino po 8 dneh), 23 % doprinos k suhi teži biomase, 12 % povečanje skupne mase lipidov C16 FAME, 49 % povečanje aktivnosti fotosinteze, za 50 % pa se je povečala tudi proizvodnja kisika. Povečal se je tudi parameter alfa, ki opisuje učinkovitost fotosinteze pri omejevanju intenzitete svetlobe, in sicer za 48 %. Prisotnost barvila v notranjosti celice in njegovo točno lokacijo, ter integracijo brez poškodb diatomejskih celic so potrdili s konfokalno mikroskopijo. Vzorec so opazovali v dveh fazah; 45min po dodatku barve v gojišče in po 8 dneh, ko je faza rasti dosegla plato. S tem so preverili vključitev Cy5 v celične strukture in celično morfologijo (da so potrdili vitalnost celic). V prvi fazi opazovanja so potrdili prisotnost Cy5 v frustulah diatomej. Lokacije v kloroplastih niso mogli potrditi, saj je prihajalo do interference z drugimi fotosinteznimi barvili kloroplasta. Z opazovanjem miotične pregrade, so potrdili prisotnost Cy5 tudi znotraj celic. Opazovanje diatomejskih celic po 8 dneh inkubacije s Cy5, je potrdilo sposobnost preživetja diatomej ob prisotnosti barvila. Interakcijo med Cy5 in fotosintezno enoto, med katerima je prišlo do Forsterjevega resonančnega prenosa energije (Cy5-donor, klorofil ''a''-prejemnik), so opazovali s časovno rešeno fluorescentno spektroskopijo. S kvantitativno detekcijo fotosinteznih podenot s pomočjo označevanja s protitelesi, so potrdili, da prisotnost barvila Cy5 ni vplivala na organizacijo fotosinteznega aparata [1]. 

== ZAKLJUČEK ==

Drastične klimatske spremembe in pomanjkanje energetskih surovin sta motivirala akademsko skupnost za raziskovanje modifikacije organizmov, pri katerih bi lahko izboljšali učinkovitost fotosinteze in posledično industrijsko pridelavo goriv in aktivnih kemijskih produktov. Zaradi omejitev izvedbe in proizvodnje gensko spremenjenih organizmov, so se usmerili v izboljšanje učinkovitosti fotosinteze z ''in vivo'' dodajanjem barvila Cy5. Ker to barvilo dosega potrebne kriterije, se je postopek izkazal za uporabnega, manj potratnega in problematičnega kot sama genska modifikacija, predvsem pa je učinkovit [1, 2].

== VIRI ==

# Leone, G., De la Cruz Valbuena, G., Cicco, S.R. et al. Incorporating a molecular antenna in diatom microalgae cells enhances photosynthesis. Sci Rep 11, 5209 (2021).
# Priyadarshani, I. & Rath, B. Commercial and industrial applications of micro algae–a review. J. Algal. Biomass Utln. 3, 89–100 (2012).