Роль реакций брожения в длительной продукции водорода на свету клетками микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii в условиях дефицита серы

В работе исследовано влияние одного из основных ферментов брожения – пируватформиатлиазы – на индуцированное минеральным голоданием фотообразование водорода клетками зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii. Для этого инкубировали культуры дикого типа (CC-125) и мутанта pfl1 без пируватформиатлиазной активности на среде без серы на постоянном свету в течение 96 ч и оценивали выделение водорода, а также факторы, влияющие на этот процесс: фотосинтетическую активность, дыхание и содержание крахмала в клетках. Оба штамма характеризовались сходными значениями фотосинтетической активности и содержания крахмала при культивировании на полной среде. В условиях дефицита серы культуры мутанта pfl1 начинали выделять водород позже по сравнению с диким типом, однако этот процесс продолжался существенно дольше у мутанта. Культуры pfl1 характеризовались более высокой скоростью накопления и расходования крахмала на начальных и поздних стадиях инкубации без серы соответственно, а также более высокой фотосинтетической активностью на поздних стадиях голодания. Полученные результаты свидетельствуют о тесной взаимосвязи между процессами фотосинтетического электронного транспорта, гидрогеназной реакцией, метаболизмом углеводов и процессом брожения, указывая на возможность использования методов генетической модификации реакций брожения для повышения выхода фотосинтетического образования водорода в биотехнологии.

1. Antal T.K. The metabolic acclimation of Chlamydomonas reinhardtii to depletion of essential nutrients: application for hydrogen production // Microalgal Hydrogen Production: Achievements and Perspectives / Eds. M. Seibert, G. Torzillo. RSC Publishing, 2018. P. 235–264.

2. Kosourov S., Böhm M., Senger M., Berggren G., Stensjö K., Mamedov F., Lindblad P., Allahverdiyeva Y. Photosynthetic hydrogen production: novel protocols, promising engineering approaches and application of semi-synthetic hydrogenases // Physiol. Plant. 2021. Vol. 173. N 2. P. 555–567.

3. Antal T., Petrova E., Slepnyova V., Kukarskikh G., Volgusheva A., Dubini A., Baizhumanov A., Tyystjärvi T., Gorelova O., Baulina O., Chivkunova O., Solovchenko A., Rubin A. Photosynthetic hydrogen production as acclimation mechanism in nutrient-deprived Chlamydomonas // Algal Res. 2020. Vol. 49: 101951.

4. Antal T.K., Krendeleva T.E., Laurinavichene T.V., Makarova V.V., Ghirardi M.L., Rubin A.B., Tsygankov A.A, Seibert M. The dependence of algal H2 production on Photosystem II and O2 consumption activities in sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii cells // Biochim. Biophys. Acta. 2003. Vol. 1607. N 2–3. P. 153–160.

5. Kosourov S., Seibert M., Ghirardi M.L. Effects of extracellular pH on the metabolic pathways in sulfur-deprived, H2-producing Chlamydomonas reinhardtii cultures // Plant Cell Physiol. 2003. Vol. 44. N 2. P. 146–155.

6. Gfeller R.P., Gibbs M. Fermentative metabolism of Chlamydomonas reinhardtii: I. analysis of fermentative products from starch in dark and light // Plant Physiol. 1984. Vol. 75. N 1. P. 212–218.

7. Atteia A., van Lis R., Gelius-Dietrich G., Adrait A., Garin J., Joyard J., Rolland N., Martin W. Pyruvate formatelyase and a novel route of eukaryotic ATP synthesis in Chlamydomonas mitochondria // J. Biol. Chem. 2006. Vol. 281. N 15. Р. 9909–9918.

8. Terashima M., Specht M., Naumann B., Hippler M. Characterizing the anaerobic response of Chlamydomonasreinhardtii by quantitative proteomics // Mol. Cell Proteomics. 2010. Vol. 9. N 7. P. 1514–1532.

9. Philipps G., Krawietz D., Hemschemeier A., Happe T. A pyruvate formate lyase (PFL1) deficient Chlamydomonas reinhardtii strain provides evidence for a link between fermentation and hydrogen evolution in green algae // Plant J. 2011. Vol. 66. N 2. P. 330–340.

10. Catalanotti C., Dubini A., Subramanian V., Yang W., Magneschi L., Mus F., Seibert M., Posewitz M.C., Grossman A.R. Altered fermentative metabolism in Chlamydomonas reinhardtii mutants lacking pyruvate formate lyase and both pyruvate formate lyase and alcohol dehydrogenase // Plant Cell. 2012. Vol. 24. N 2. P. 692–707.

11. Burgess S.J., Tredwell G., Molnàr A., Bundy J.G., Nixon P.J. Artificial microRNA-mediated knockdown of pyruvate formate lyase (PFL1) provides evidence for an active 3-hydroxybutyrate production pathway in the green alga Chlamydomonas reinhardtii // J. Biotechnol. 2012. Vol. 162. N 1. P. 57–66.

12. Laurinavichene T., Tolstygina I., Tsygankov A. The effect of light intensity on hydrogen production by sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii // J. Biotechnol. 2004. Vol. 114. N 1–2. P. 143–151.

13. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes // Methods Enzymol, vol. 148 / Eds. R. Douce and L. Packer. N.Y.: Press Inc., 1987. P. 350–382.

14. Shreiber U., Hormann H., Neubauer C., Klughammer C. Assessment of photosystem II photochemical quantum yield by chlorophyll fluorescence quenching analysis // Plant Physiol. 1995. Vol. 22. N 2. P. 209-220.

15. Hemschemeier A., Fouchard S., Cournac L., Peltier G., Happe T. Hydrogen production by Chlamydomonas reinhardtii: an elaborate interplay of electron sources and sinks // Planta. 2008. Vol. 227. N 2. P. 397-407.

16. Volgusheva A., Styring S., Mamedov F. Increased photosystem II stability promotes H2 production in sulfurdeprived Chlamydomonas reinhardtii // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2013. Vol. 110. N 18. P. 7223–7228.