Vključevanje molekulske antene v celice mikroalg diatomej za izboljšanje fotosinteze
UVOD
Fitoplankton ima zelo dober industrijski potencial za proizvodnjo goriv in biomase. To vključuje predvsem vrsto diatomej, največjo skupino mikroalg, ki so odgovorne za morski pH in regulacijo CO2 v atmosferi, prav tako pa so največji proizvajalec kisika v morskem ekosistemu. V preteklosti so se lotili izboljšave procesa fotosinteze z genskim inženiringom, ki je ključni dejavnik povečanja uporabnosti diatomej. Le-ta se je izkazal za neuporabnega zaradi visokih stroškov in težke učinkovite izvedbe. 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. Ker vsa barvila niso bila učinkovita (rodamini in BODIPY sta se izkazali za toksični in bio-nekompatibilni skupini barv), saj so uničila celice uporabljenih vrst mikroalg, so ugotovili, da mora barvilo, ki bo učinkovito za uporabo izpolnjevati določene kriterije:
- barva ni toksična za organizem (biokompatibilnost),
- absorpcija in emisija svetlobe je v določenem delu spektru, ki je ugoden za energijski prenos med barvo in algino enoto odgovorno za fotosintezo,
- barva mora imeti amfifilno kemijsko strukturo, da se hkrati učinkovito razprši v vodi in z lahkoto integrira v notranjost mikroalginih celic [1].
METODE
V članku je opisan mehanizem izboljšanja fotosinteze, kot posledice dodane molekularne barve Cy5. Barvo Cy5 se je dodalo gojišču mikroalg, ki se je in vivo z lahkoto integrirala v notranjost Thalassiosira weissflogii diatomej in je delovala kot umetna antena. Ta barva je bila izbrana na podlagi tega, da je komercialno dostopna, primerna za tehnike slikanja biomolekularnih sistemov, zaradi amfifilne kemijske strukture in ker so absorpcijske ter emisijske lastnosti svetlobe Cy5 primerne za shranjevanje in prenos energije na klorofil Thalassiosira weissflogii diatomeje (Cy5 absorbira svetlobo v območju 570-650nm in odda pri 660nm, kjer je absorpcija klorofila a pri diatomejah maksimalna). Cy5, ki je netoksična, je delno zapolnila absorpcijsko luknjo v oranžnem delu spektra diatomej in s tem povečala celično rast in proizvodnjo biomase. Da so te učinke izboljšanja dokazali in ovrednotili, so gojišča diatomej inkubiranih z Cy5 in brez, izpostavili temno-svetlemu ritmu (16h:8h), prav tako pa še posebej izvedli kontrolna poskusa, kjer so preverjali ali gre za izboljšavo zaradi fotosinteze ali barvila samega. Dodatna eksperimenta sta potekala v popolni temi in pa izpostavitvi modri svetlobi (410-450nm). Dodatne meritve ter opazovanja so opravili tudi s konfokalno mikroskopijo in časovno rešeno fluorescentno spektroskopijo. Spekter absorpcije pigmentov pa so ocenili z UV-VIS spektrofotometrom [1].
REZULTATI
Dodatek molekularne barve 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% povečana 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 točno nahajališče, ter integracijo brez poškodb diatomejskih celic so potrdili s konfokalno mikroskopijo. Interakcijo med Cy5 in enoto, ki izvaja fotosintezo, med katerima je prišlo do Forsterjevega resonančnega prenosa energije (Cy5-donor, klorofil a-prejemnik), so opazovali s časovno rešeno fluorescentno spektroskopijo [1].
ZAKLJUČEK
Drastične klimatske spremembe in pomanjkanje surovega kemijskega materiala, sta motivirala akademsko skupnost za raziskovanje modifikacije organizmov, pri katerih bi lahko izboljšali proces fotosinteze in posledično izboljšali industrijsko pridelavo goriv in aktivnih kemijskih produktov. Zaradi omejitev izvedbe in proizvodnje gensko spremenjenih organizmov, so se usmerili v izboljšanje fotosinteze z in vivo dodajanjem barvila. Če to barvilo dosega potrebne kriterije se postopek izkaže za uporaben, manj potraten in problematičen kot genske modifikacije in predvsem učinkovit. Ena izmed učinkovitih metod je predstavljena v tem članku [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).
