Molekuláris Fotobioenergetikai Csoport

Kutatás

I. Teljesen zöld, megújuló energiatermelő rendszerek kialakítása

Vízbontáson alapuló, fenntartható és hatékony H₂ termelés zöldalgákban

A hidrogéngáz (H₂) tiszta energiahordozó, amelynek égése során nem keletkezik szén-dioxid. A zöldalgák a fotoszintézis során H₂-t képesek termelni nagy aktivitású [Fe-Fe] típusú hidrogenázaikkal; ezért elméletileg a H₂ fotobiológiai termelése lehet a leghatékonyabb módja a napfény biológiai rendszerek általi alakításának.

Kidolgoztunk egy újszerű H₂ előállítási módszert zöldalgákkal, amely rövid anaerob indukción alapul. A Calvin-Benson ciklust inaktívan tartjuk a szénforrás korlátozásával, és a hidrogenáz aktivitást egyszerű O₂ abszorbens alkalmazásával tartjuk fenn. A tenyészetek fotoszintetikusan aktívak maradnak, a hidrogenázokat tápláló elektronok pedig legfőképpen a vízből származnak. A keletkező H₂ mennyisége jelentős, és a folyamat fotoautotróf. Eredményeink bizonyítják, hogy lehetséges az algasejtek biokatalizátorként történő felhasználása a H₂ előállításához, és ezáltal az ipari alkalmazás megvalósítása (Nagy V és Tóth SZ (2017) EPA 17155168.2 európai szabadalom; Nagy et al., 2018, Biotechnol Biofuels 11:69).

Következő lépésként vékonyréteg-tenyészeteket alkalmaztunk, ami háromszoros H₂-termelést eredményezett a hagyományos folyadékkultúrákhoz képest. A hatékony H₂-termelés a napfény intenzitása mellett is megőrződött. Figyelemre méltó, hogy az L159I-N230Y mutáns és a pgrl1 ciklikus elektrontranszport mutáns 50%-kal több H₂-t termelt, mint a vad típusú, míg a pgr5 mutáns 250%-kal többet termelt (1,2 ml H₂/ml kultúra hat nap alatt). A pgr5 mutáns fotoszintetikus apparátusa és hidrogenáza figyelemreméltóan stabil maradt (Nagy et al., 2021 Biores. Technol. 333: 125217).

Jelenleg a váltakozó fényintenzitás hatásait vizsgáljuk, és célunk az anaerobiózison alapuló fotoautotróf H₂ termelési rendszerünk méretnövelése.

Hatékony alga alapú elektromos áramtermelő rendszerek kialakítása

A fosszilis tüzelőanyagok egy ígéretes biológiai alapú alternatívája - a biohidrogén mellett – az elektromos áram előállítása úgynevezett biofotovoltaikus (BPV) eszközökkel, más néven biofotoelektrokémiai cellákkal. A BPV-eszközök a fotoszintetizáló mikroorganizmusok által abszorbált napfény energiáját elektromos árammá alakítják. Különösen ígéretesek a cianobaktériumokon és zöldalgákon alapuló rendszerek. A jelenleg rendelkezésre álló alga alapú BPV-rendszerek azonban alacsony ipari értékkel bírnak, az alacsony hatásfok, a korlátozott energiatermelő kapacitás és a gyártási folyamat káros vegyi anyagoktól való függése miatt.

A Marie Skłodowska-Curie Actions projekt (EnergUP, Projektszám: 892632) keretében arra törekszünk, hogy javítsuk az alga alapú BPV-eszközök teljesítményét azáltal, hogy jobban megértjük a korlátozo tényezőket, és megpróbáljuk leküzdeni azokat.

Ennek érdekében két olyan biofotovoltaikus műszert terveztünk és építettünk, amelyek alkalmasak algaminták áramtermelésének mérésére kis (µl) vagy nagyobb (ml) térfogatban, rövid (perc) vagy hosszú (napos) időskálán.

Kisméretű BPV műszerünk akár nyolc algaminta párhuzamos mérését is lehetővé teszi, különböző fényintenzitások mellett. A mintatartókban a kereskedelemben kapható szitanyomott elektródák találhatóak. A kis volumenű BPV készülék alkalmazásával számos Chlamydomonas mutáns vonal áramtermelését vizsgáltuk, hogy beazonosítsuk a lehetséges célpontokat a fotoszintetikus és légzési elektrontranszport láncokban az elektromos áramtermelés fokozása érdekében. A legjobban teljesítő mutánsoknál a maximális áramtermelési kapacitás 5-10-szeres növekedését kaptuk a vad típusú törzsekhez képest. Emellett számos zöldalgafajt is teszteltünk, és találtunk egyet, amely nagy potenciállal rendelkezik a BPV-eszközökben való felhasználása terén.

Újonnan épített nagy térfogatú BPV készülékünkben több napon keresztül folyamatos elektromos áramtermelés figyelhető meg. Az elektródák megváltozott orientációja és felületi aránya nagy áramtermelést eredményezett híg sejttenyészetekben: A munkaelektród területére normalizált áramtermelés körülbelül 200-szor nagyobb volt a nagy térfogatú BPEC készülékben, mint a kis volumenű BPV készülékben.

II. Az aszkorbát (C-vitamin)szerepe a növényekben és a zöldalgákban

Az aszkorbát az ember számára nélkülözhetetlen vitamin, amely növényi eredetű, és számos szerepet tölt be mind az emlősök, mind a növények sejtjeiben. Az aszkorbát legismertebb tulajdonsága, hogy szigorúan szabályozott módon megköti a reaktív oxigénfajtákat. Tóth Szilvia Zita és csoportja az aszkorbát bioszintézisével, szállításával és élettani szerepeivel foglalkozik növényekben és zöldalgákban. Eredményeik végső soron hozzájárulhatnak a növények aszkorbáttartalmának növeléséhez.

Egy friss közleményben (Tóth SZ, 2023, Int J Mol Sci 24: 2537) az aszkorbát és a fotoszintézis közötti bonyolult kapcsolatot a következő főbb pontokban foglaltuk össze: (i) az aszkorbát bioszintézis fény általi szabályozása, (ii) fotoszintetikus és mitokondriális elektrontranszport kölcsönhatása az aszkorbát bioszintézissel kapcsolatban, (iii) az aszkorbát a II. fotokémiai rendszer alternatív elektrondonora, (iv) az aszkorbát inaktiválja a vízbontó komplexet, (v) az aszkorbát szerepe a nem fotokémiai kioltásban, és (vi) az aszkorbát szerepe a kloroplasztisz oxidatív stress elleni védelemben. A közlemény az aszkorbát bioszintézis szabályozásában mutatkozó különbségeket és az aszkorbát fotoszintézisre gyakorolt hatásait is tárgyalja algákban és magasabb rendű növényekben.

Az aszkorbát inaktiválhatja a vízbontó komplexet

A hosszan tartó sötétség egyik legkorábbi hatása a növényekben a vízbontó komplex (OEC) inaktiválása. Azt találtuk, hogy az aszkorbát hosszan tartó sötétségben inaktiválja az OEC-t azáltal, hogy túlredukálja a mangán-komplexet, amit valószínűleg a külső OEC-alegységek sötét által kiváltott disszociációja tesz lehetővé (Podmaniczki et al., (2021) Physiol Plantarum 171:2452). Vizsgálatunk példa arra, hogy az aszkorbát negatívan befolyásolhat bizonyos sejtfolyamatokat, ezért sejten belüli koncentrációja és lokalizációja szigorúan meghatározott.

Az aszkorbát szerepe a nem fotokémiai kioltásban zöldalgákban

Kimutattuk, hogy a magasabb rendű növényekkel ellentétben a Chlamydomonasban található violaxantin-de-epoxidáz nem igényel aszkorbátot redukálószerként. A gyorsan indukált, energiafüggő, nem fotokémiai kioltó komponenst sem befolyásolja az aszkorbát hiánya. Másrészt a reaktív oxigénformák által kiváltott fotoinhibíciós komponens nagymértékben megnövekedett aszkorbáthiány esetén (Vidal-Meireles et al., 2020 Plant Physiol 182: 597–611). Eredményeink azt mutatják, hogy az aszkorbát más szerepet játszik a nem fotokémiai kioltásban Chlamydomonasban, mint a magasabb rendű növényekben.

A vízbontó komplex PSBO alegységének élettartama

Ismert, hogy a PSBO nélkülözhetetlen a vízbontó komplex felépüléséhez, de az élettartamára vonatkozó információ hiányos a zöldalgák esetében. Nitráttal indukálható PSBO amiRNS vonalak segítségével kimutattuk, hogy Chlamydomonasban a PSBO élettartama erősen függ a fény intenzitásától és a szénforrás elérhetőségétől, és így a sejtek metabolikus állapotától. Azt is megerősítettük, hogy a PSBO szükséges a II. fotokémiai rendszer stabilitásához Chlamydomonasban, és kimutattuk, hogy hiánya jelentős változásokat von maga után a sejtmorfológiát és a sejtciklust illetően (Vidal-Meireles et al., 2023, Plant Cell Physiol 46: 422-439).

III. Mikrofluidika Chlamydomonas egysejtszintű morfológiai és fotoszintetikus vizsgálatához

Klorofill a fluoreszcencia indukciós mérésekkel kombinált mikrofluidikai rendszert hoztunk létre, hogy elősegítsük a zöldalgák morfológiája és fotokémiája közötti kapcsolat egysejtszintű tanulmányozását. A vizsgálatokhoz kétféle mikrofluidikai platformot fejlesztettünk ki: (i) A „Tulipán” készülék csapdái alkalmasak egyetlen sejt befogására és immobilizálására, lehetővé téve azok fotoszintézisének több órán át történő mérését szilárd hordozófelülethez való rögzítés nélkül. (ii) A „Csésze” eszköz csapdáit úgy terveztük, hogy egyetlen sejtet fogjanak be, és lehetővé tegyék a leánysejtek növekedését a csapdákban. Mikrofluidikai eszközeink sokoldalú platformot jelentenek a Chlamydomonas egysejtű morfológiai és fotoszintetikus vizsgálatához (Széles et al., 2022, Cells 11: 285; Széles et al., 2023 Photosynthetica ps.2023.028).