Исследование механизмов фотозависимого производства водорода микроводорослями для увеличения их продуктивностиНИР

Этапы НИР

# Сроки Название
1 26 июня 2012 г.-15 ноября 2012 г. Выбор направления исследований. Теоретические и экспериментальные исследования
Результаты этапа: Исследованы основные метаболические процессы и регуляторные механизмы, обеспечивающие фотообразование водорода в клетках зеленых водорослей в условиях недостатка серы. Исследованиы основные пути электронного транспорта в фотосинтетических мембранах, включая линейный и циклический электронный транспорт в связи с фотообразованием водорода. Проведена оценка реальных и потенциальных скоростей метаболических процессов в клетках зеленых водорослей, связанных с выделением водорода и протекающих на фотосинтетической стадии серного голодания культуры. Предполагается определить скорости образования кислорода, фиксации СО2 и потребления ацетата в фотомиксотрофных (субстраты СО2 и ацетат) и в фотоавтотрофных (субстрат только СО2) условиях. Была сформулирована потоковая модель центральных метаболических процессов, связанных с получением водорода. Проведен анализ литературных данных по метаболизму клетки C.reinhardtii. Исследованы процессы электронного транспорта через фотосистему 2 в голодающих по сере клетках с использованием методов термолюминесценции, кинетики ре-окисления первичного электронного акцептора Qa и кинетики световой индукции флуоресценции OJIP и замедленной флуоресценции. Изучены процессы, вызывающие специфические изменения кривой световой индукции флуоресценции в условиях недостатка основных элементов питания. Проведена оценка скоростей метаболических процессов, конкурирующих с фотосинтетическим образованием водорода. Определены скорости образования продуктов брожения (этанола, формиата, ацетата, СО2) и фотообразования водорода в различных условиях. Исследовано влияния продуктов брожения на выделение водорода при их добавлении в среду культивирования. Проведена реконструкция модели по данным о геноме и метаболитах. Создана модель центрального метаболизма, как в цитоплазме, так и в хлоропласте клетки. Подробно воспроизвдены пути, связанные с продукцией водорода и фотосинтетическими процессами. Описаны пути синтеза крахмала, выделения кислорода и углекислого газа и т.п., которые не связаны напрямую с продукцией водорода, но отражают его накопление и позволяют экспериментально отслеживать этот процесс и сопоставлять данные эксперимента с предсказаниями модели. Разработана прямая многочастичная модель броуновской динамики взаимодействия ферредоксина с гидрогеназой в растворе на основании литературных данных и данных Protein Data Bank. Исследованы на модели зависимости скорости реакции от ионной силы для дикого типа ферредоксина и мутантов, отличающихся расположением поверхностных зарядов. Выявлены с помощью модели точечные мутации белков, приводящих к увеличению эффективности процесса выделения водорода. Разработан метод определения состояния микроводорослей в биореакторах, продуцирующих водород и способ анализа данных. По результатам теоретических и экспериментальных исследований в 2012 году приняты к публикации 2 стати в зарубежном журнале и в рекомендованном Президиумом Высшей аттестационной комиссией ведущем рецензируемом научном журнале. Результаты НИР докладывались на международных конференциях. Результаты НИР соответствуют мировому уровеню исследований.
2 1 января 2013 г.-15 ноября 2013 г. Теоретические и экспериментальные исследования. Обобщение и оценкарезультатов НИР
Результаты этапа: Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. Зарегистрированы кинетики световой индукции флуоресценции OJIP непосредственно в биореакторе для мониторинга состояния первичных процессов фотосинтеза in vivo в процессе голодания и выяснения роли ФС 2 в фотопродукции водорода. Исследованы возможности длительной продукции водорода на свету в отсутствие стрессовых воздействий с использованием модели фотообразования водорода. Проведена идентификация модели по имеющимся экспериментальным данным и по данным литературы. Определены соотношения основных метаболических потоков и необходимых ограничений на величины потоков для получения определенного поведения модели, соответствующего условиям эксперимента. Проведены тестовые эксперименты по определению скоростей метаболических процессов, включая отосинтетическую и анаэробную стадии серного голодания культуры, в условиях предсказанных теоретической моделью. Исследованы на модели зависимости эффективности переноса электрона с акцепторной части ФС1 на ферредоксин и далее на ФНР (дальнейший путь на цикл Кальвина), и альтернативный путь ФС1-Фд-Гидрогеназа (производство водорода) с целью выявления условий переключения электронных потоков с пути фиксации СО2 на путь производства водорода и значений рН, оптимальных для протекания реакции производства водорода. Проведено обобщение и оценка полученных результатов, в том числе: на построенной потоковой модели проведены численные эксперименты с целью определения участков метаболических путей, наиболее чувствительных к регуляции продукции водорода. С помощью модели получены рекомендации возможных генных модификаций путей сцелью увеличения выделения водорода. Разработана методика диагностики состояния культуры микроводорослей непосредственно в биореакторе на основании измерения и анализа кинетики световой индукции флуоресценции in vivo и других параметров флуоресценции. Подготовлена заявка на патент «Метод определения состояния микроводорослей в биореакторах, продуцирующих водород и способ анализа данных» Разработаны рекомендации по использованию результатов НИР при разработке научно- образовательных курсов. Разработны рекомендации по использованию результатов проведенных НИР в дальнейших исследованиях и разработках. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что длительное фотообразование водорода клетками C.reinhardtii потенциально возможно и без применения стрессовых условий, таких как серное голодание, а только путем регуляции баланса между активностью ФС2, ФС1 и цикла Кальвина. Так, переход из стадии активного фотосинтеза к стадии фотопродукции водорода можно индуцировать снижением активности ФС2 и цикла Кальвина относительно активности ФС1, а обратный переход, соответственно, за счет реакцивации ФС2 и цикла Кальвина. Во время аэробной стадии инкубации можно ожидать быстрого восстановления культуры и накопления запасов липидов и углеводов в клетке, энергию которых клетка может использовать в следующем цикле продукции водорода. За отчетный период нами была подтверждена возможность длительного получения водорода в культурах зеленых микроводорослей иммобилизованных в тонкий слой альгината и подобраны условия для повышения его выхода. Иммобилизация позволяет снизить воздействие стрессовых факторов на клетки, а низкие концентрации серы в середе – поддерживать активность фотосистемы 2 на заданном уровне. Впервые были проведены измерения на иммобилизованных в альгинатных пленках клетках C.reinhardtii с помощью флуориметра, позволяющего одновременно измерить не только характеристики флуоресценции, но и состояние ЭТЦ по d820.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".