Открытие в водорослях указывает путь к повышению эффективности биотоплива

Исследование из Лаборатории исследований растений Мичиганского университета и Министерства энергетики США (MSU-DOE PRL) показало, как некоторые водоросли защищаются, когда производимый ими кислород нарушает их фотосинтетическую активность. Это открытие также даёт ответ на давний вопрос о том, как водоросли выживают при низком уровне CO₂.

Результаты работы лаборатории Дэвида Крамера опубликованы в eLife.

В процессе фотосинтеза растения и водоросли используют солнечную энергию для усвоения углекислого газа (CO₂) из воздуха и синтеза сахаров. Побочным продуктом этой реакции является кислород. Однако кислород нарушает работу ключевых фотосинтетических реакций. При выращивании водорослей в плотных прудах для производства биоэнергии это становится проблемой.

Водоросли используются как сырьё для биотоплива. Их рост можно ускорить, подкармливая культуры CO₂. Однако при этом увеличивается и выход кислорода от фотосинтеза, что приводит к его накоплению в культуре. Воздействие избытка кислорода называется гипероксией.

Целью было понять, как водоросли реагируют на гипероксию, чтобы создать более устойчивые и продуктивные штаммы для биоэнергетики, — сказал Питер Неофотис, первый автор статьи.

Открытие не только показывает, как выживают водоросли, но и разрешает многолетние споры о запуске механизма концентрирования углерода (Carbon Concentrating Mechanism, CCM) в клетках водорослей.

Разные реакции у разных штаммов

Исследователи начали с тестирования штаммов на способность расти при высоком содержании кислорода. Штамм CC-1009 рос стабильно, а CC-2343 рос медленно и в итоге погибал. При скрещивании этих штаммов потомство обычно вело себя как один из родителей, но иногда демонстрировало более крайние реакции.

Изучение родителей и потомства показало, что разная реакция на гипероксию связана с процессом, необходимым водорослям для роста при низком CO₂, но ранее не ассоциировавшимся с высоким кислородом.

Клетки водорослей реагируют на низкий CO₂ активацией CCM. Этот процесс закачивает CO₂ в клетки и концентрирует его вокруг фермента для синтеза сахаров. Для работы CCM клеткам также необходимо сформировать в хлоропластах специальную структуру — пиреноид, который удерживает CO₂. Без пиреноида клетки не могут расти при низком CO₂.

Команда обнаружила, что пиреноид и CCM также позволяют клеткам расти при высоком кислороде, даже если уровень CO₂ высок.

Это было первым указанием на двойную функцию пиреноида! Он не только концентрирует CO₂, но и защищает от O₂, — сказал Дэвид Крамер.

Сигнал для формирования пиреноида

Исследователи заметили, что пиреноиды образуются не только при низком CO₂, но и при гипероксии. Возник вопрос: какое химическое вещество накапливается в обоих условиях и может запустить формирование пиреноида?

Перекись водорода (H₂O₂), которую производят растения и водоросли при нарушении фотосинтеза, образуется как при низком CO₂, так и при высоком кислороде. Вероятно, клетки детектируют H₂O₂ и формируют пиреноиды, чтобы решить проблему.

Долгое время было загадкой, как водоросли понимают, что пора создавать пиреноид. Теперь, когда мы знаем сигнал, мы можем заставить клетки делать это когда угодно, — отметил Крамер.

Применение открытий для улучшения культур

Одна из идей повышения урожайности — внедрение водорослевого CCM в наземные культуры. Проблема в том, что сложно заставить пиреноид формироваться в клетках растений.

Теперь, когда у нас есть лучшее понимание сигнала для аспекта CCM, у нас есть путь к изучению множества вовлечённых генов, — сказал Неофотис. — Такое полное понимание необходимо, если мы хотим перенести CCM водорослей в сельскохозяйственные культуры.

Ответ на вопрос о том, что индуцирует пиреноид, даёт исследователям более полное понимание не только биологии клеток водорослей, но и фотосинтеза в целом.