 |
Synergetic effect of carotenoids , polyunsaturated lipids and PSI monomerization in temperature and light stress responses
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
108551 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Laczkó-Dobos, Hajnalka |
| Title in Hungarian |
Karotinoidok, többszörösen telítetlen lipidek és PSI monomerek egymást felerősítő hatása hő- és fénystresszben |
| Title in English |
Synergetic effect of carotenoids , polyunsaturated lipids and PSI monomerization in temperature and light stress responses |
| Keywords in Hungarian |
fotoszintézis, cianobaktériumok, karotinoidok, lipidek, fénystressz, hőstressz, I.es fotokémiai rendszer |
| Keywords in English |
photosynthesis, Cyanobacteria, carotenoids, lipids, temperature stress, light stress, Photosystem I |
| Discipline |
| Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Physiological biophysics | | General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | | Ortelius classification: Plant biochemistry |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Genetics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Starting date |
2014-04-01 |
| Closing date |
2017-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
24.447 |
| FTE (full time equivalent) |
2.54 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A karotinoidok konjugált kettőskötés-rendszerrel rendelkező, széleskörűen elterjedt pigmentek. A többszörösen telítetlen lipidek, a tilakoidmembránok alkotásában vesznek részt, ahová ágyazódnak be a PSI és PSII fotoszintetikus fehérje-komplexek. A karotinoidok, a lipidekkel és fehérje-komplexekkel együtt a kettős-lipidmembrán rétegben találhatók. Felvetődik a kérdés, hogyan tudnak együttműködni a karotinoidok, lipidek és PSI oligomerek, hogyan tudják a sejteket életben tartani különböző stresszhelyzetekben, mint alacsony- és magas hőmérséklet, valamint erős fényviszonyok között. A karotinoidok, lipidek egymást felerősítő hatásának molekuláris szintű megértése közelebb visz a membrán-alkotórészek közötti kapcsolat felderítéséhez. Jelen pályázatban, ezt a lipid-fehérje kölcsönhatást tanulmányozom, amely egy viszonylag új kutatási terület. A cianobaktériumok, mint a kloroplasztisz ősei, ideális modellszervezetek a stressz indukált és más sejtfolyamatok tanulmányozására. Egyszerű kísérleti rendszerek, mellyel bonyolult, molekulák közötti kapcsolatok tanulmányozhatók. Kísérleteimhez egy cianobakteriális mutáns rendszert hozok létre, amely magába foglalja a Synechocystis sp. PCC6803 törzs karotinoid-, többszörösen telítlen lipid- és PSI oligomer-hiányos mutánsait. Egyenként, a karotinoidok és telítetlen lipidek, fotoszintézisben játszott védő szerepét elég részletesen tanulmányozták, azonban ezen molekulák együttes hatását kevésbé. Éppen ezért választottam pályázatom fő céljául, ezen molekulák közötti kölcsönhatásnak a tanulmányozását. Kutatásaim felderíthetik e lipid-fehérje kölcsönhatásoknak a fotoszintézis folyamataiban, valamint a stressztűrésben játszott szerepét.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Jelen pályázatban a karotinoidok, többszörösen telítetlen lipidek és a PSI oligomerek egymást felerősítő hatását tanulmányozom, különböző stresszekkel szembeni védelemben. A stresszek közül az alacsony-és magas hőmérsékleti stresszt, valamint erős fény indukált fotoinhibiciót választottam ki. Külön-külön, mind a karotinoidok, mind a lipid-telítetlenség fotoszintézisben játszott védő szerepét tanulmányozták, azonban e molekulák egymást szabályozó és erősítő hatása kevésbé ismert. Pályázatom fő célja ezen molekulák együttes hatásainak tanulmányozása. Korábban kimutatták, hogy alacsony hőmérsékleten, a cianobaktériumoknak szükségük van a többszörösen telítetlen lipidekre, a membrán mikroviszkozitásának megőrzésében, valamint az alacsony hőmérsékleti fotoinhibició helyreállításában. Szintén ismert, hogy a karotinoidoknak szerepük van a PSII fehérjék szintézisében és valószínűleg részt vehetnek a PSI trimerek kialakításában. A pályázat legfontosabb célkitűzéseit a következőképpen csoportosíthatom: 1, Karotinoid-, többszörösen telítetlen lipid- és PSI trimer-hiányos mutánsok létrehozása. 2, A mutáns sejtek karotinoid- és lipidtartalom változásainak vizsgálata. 3, A mutánsok fotoszintetikus paramétereinek jellemzése. 4, Karotinoidok és többszörösen telítlen lipidek egymást felerősítő hatásának tanulmányozása fotoinhibició során. 5, A fotoszintetikus komplexek oligomerizáció változásának követése. 6, Hőmérséklet- és fénystressz indukált szerkezeti vizsgálatok.
A karotinoidok és többszörösen telítetlen lipidek egymást felerősítő hatásának megértése megértetné velünk, ezen membránalkotó komponensek molekuláris szintű kölcsönhatásait, szerepüket a stressz kivédésében.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az utóbbi évtizedekben igen részletesen tanulmányozták a fehérje molekulák szerepét a fotoszintézisben. A lipid-fehérje kölcsönhatások tanulmányozása, amely a pályázat célja is, egy viszonylag új kutatási területnek számít. Igen fontos megértenünk, annak a molekuláris hátterét, hogy ezek a karotinoid- és lipidmolekulák, hogyan tudnak a fehérjékkel közreműködve, részt venni a fotoszintetikus folyamatok szabályozásában, illetve a fotoszintetikus apparátus felépítésében. Kísérleteim segítségével megérthetjük a karotinoidok, többszörösen telítetlen lipidek, valamint PSI oligomerek egymást erősítő szerepét a stresszfolyamatok kivédésében. Napjainkban a stresszfolyamatok felerősödését figyelhetjük meg. Ilyen a magas-, vagy alacsony hőmérsékleti stressz, valamint az erős fény hatására jelentkező fénystressz, vagy fotoinhibició. A fotoszintézishez fényre van szükség, de ugyanakkor a fény károsíthatja is a szervezeteket. A fénystresszel szemben, a fotoszintetikus apparátus legérzékenyebb része a PSII. Fotoinhibició során lecsökken a fotoszintetikus aktivitás, a folyamat halálhoz is vezethet. Kísérleteim segítségével tanulmányozzuk a fotoinhibició molekuláris alapjait, és megválaszolhatják, hogy a természet miért hozta létre ezeket a karotinoid- és lipidmolekulákat, a fotoszintetikus membránokban.
A fotoszintetizáló szervezetek által elnyelt energia a fotoszintézis révén kémia energiává alakul, ugyanakkor az elnyelt fény káros reaktív oxigén gyökök képződését is beindíthatja. Ezért érdemes tanulmányozni, hogy a természetben jelen lévő karotinoid- és lipidmolekulák, milyen mechanizmus keretében oldják meg ezen stresszfaktorok kivédését. Mivel egész életünk a fotoszintézis folyamatától függ, ezért fontos megismernünk ezen folyamatok részleteit. A stresszfolyamatok elleni védelem mechanizmusainak megértése révén elkerülhetünk akár ökológiai katasztrófákat. A fotoszintézis szabályozásának megértése segítségével növelhető az élelmiszer- és energiatermelés. A cianobaktériumok kifejlesztették természetes védő stratégiájukat a stressztényezőkkel szemben, ha ezeket részleteiben megértjük, akkor ismereteinket más területen is tudjuk hasznosítani. Ilyen terület lehet például a napenergia effektívebb hasznosítása.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A karotinoidok narancs- és sárga színű, széles körben elterjedt pigmentek. A többszörösen telítetlen lipidek jelen vannak a fotoszintetizáló szervezetben is, a membránok szerkezet-kialakításában és a bennük lejátszódó folyamatokban vesznek részt. A fotoszintetizáló apparátus a fotoszintetikus membránokban beágyazódva található, és feladatuk az oxigénfejlesztés, valamint az energia termelése. A karotinoidok részt vesznek a membrán szerkezetének kialakításában, és szoros kölcsönhatásban vannak a lipidekkel és a fotoszintetizáló apparátus fehérjéivel. A cianobaktériumok egyszerű felépítésűek, kiváló modellszervezetek a fotoszintézis tanulmányozásához. Minden szervezetnek meg kell küzdenie az őt érő stressztényezők hatásaival. Ilyen stressz lehet az alacsony- és magas hőmérséklet, erős fény által kiváltott stressz.
A projekt célja arra irányul, hogy felderítsük a karotinoidok, telítetlen lipidek, valamint a fehérje-komplexek együttes szerepét a stresszekkel szembeni védelemben.
Kísérleteimhez genetikailag módosított cianobaktériumok törzseket használok. Ilyen típusú lipid-fehérje kölcsönhatás vizsgálatok viszonylag új tudományterülethez tartoznak. A fotoszintetikus folyamatok működését, valamint a szerkezeti változások nyomon követését, változatos módszerek segítségével szándékozom vizsgálni (ilyen az oxigénfejlődés-, fluoreszcencia-mérések, kromatográfiás-, fehérjeanalízis technikák). Eredményeim segítségével megérhetjük, hogy a karotinoidok, többszörösen telítetlen lipidek, egymás hatását felerősítve, hogyan vesznek részt a stressz kivédésében.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Carotenoids are widespread and hydrophobic pigments. Polyunsaturated lipids are constituents of cyanobacterial and plant thylakoid membranes, where the photosynthetic complexes (PSII, PSI) are located. Carotenoids are localized in the lipid bilayer together with lipids and protein complexes.
We address the question how the carotenoids, lipids and oligomers of PSI can interact with each other and help the cells to survive in various stress conditions, low, high temperatures and high light exposure. Elucidation and detailed understanding of synergetic effect of carotenoids, lipids may provide a closer look at the interaction of these membrane components, which can play a crucial role in protection of photosynthetic machinery against oxidative stresses. I am to study these lipid-protein interactions, which would be a rather new research field. Cyanobacteria, are ideal model organisms to study stress-affecting photosynthetic and other cellular processes. Cyanobacteria are easier model systems to study complex interactions among various type of molecules, then a more complicated higher plant. I am to establish a cyanobacterial mutant system which involves carotenoid-, polyunsaturated fatty acid- and PSI trimer-deficient mutations of Synechocystis sp. PCC6803 cells. Independently, protective role of carotenoids and lipid unsaturation in photosynthesis are well studied, however coregulatory effect of these molecules has not been elucidated. That is why my main aim is to investigate this coregulation. My studies will give important clues about the role of lipid-protein interactions in photosynthesis processes, especially in stress tolerance.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In this project I am going to investigate the synergic role of carotenoids, polyunsaturated lipids and PSI monomerization at various stress conditions, such as low- and high-temperature stresses, and high-light induced photoinhibition. Independently, both the protective role of carotenoids and lipid unsaturation in photosynthesis are well studied, however coregulatory effect of these molecules has not been elucidated. My main aim is to investigate this coregulatory mechanism.
Earlier it has been demonstrated that for cyanobacterial cells unsaturated lipids are necessary mainly at low temperatures, for maintenance of the membrane microviscosity and the recovery from low-temperature photoinhibition. Previously it was demonstrated that carotenoids are important for the efficient synthesis and accumulation of PSII proteins, and they may participate in PSI trimer formation.
My main aims are as follows: 1, Generation of two mutants lacking carotenoids, polyunsaturated lipids and PSI trimer in the same time. 2, I am to analyze changes in carotenoid and lipid contents 3, Characterization of the photosynthetic parameters of mutant cells. 4, I am to study the synergetic effect of carotenoids and polyunsaturated lipids in photoinhibitory processes. 5, Investigating specific alterations of main photosynthetic complexes. 6,Structural studies of mutant cells, influenced by the light- and temperature stress factor.
Elucidation of synergetic interaction of carotenoids with unsaturated lipids, can provide a closer look at the interaction of these membrane components on molecular level ,which can play a crucial role in protection against oxidative stresses.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
During the last decades intensive studies were carried out on the role of proteins in photosynthesis, our research on lipid-protein interactions is a quite new research topic. It is important to understand the mechanism how carotenoids and lipids, small hydrophobic molecules can interact with proteins, and how they can regulate photosynthetic processes, assembly of photosynthetic machinery. My experiments will let us understand the synergetic effect of carotenoids, polyunsaturated lipids and PSI oligomers in a protective mechanism against stress conditions.
In our days the global environmental changes are inducing a lot of stress factors, like high or low temperature, high light. Photosynthesis requires sunlight, however, paradoxically, exposure of sunlight damages photosynthetic machinery, primarily at photosystem II (PSII), and leads to photoinhibition.This results in a decrease in growth and productivity, on the other hand it increases mortality. My results will give answers why the nature developed carotenoid molecules together with polyunsaturated lipids in photosynthetic membranes.
Absorbed light energy is converted and by this energy several biochemical substances are formed. The exposure of light energy generate reactive oxygen species, which can cause damage to living organisms.
Studying the role of carotenoids and lipids in natural photoprotective mechanisms it can help us to find ways to adapt these processes for the benefit of humanity.
Because our existence, depends on photosynthesis, it is essential to understand photosynthetic mechanism in details. By understanding protective mechanisms, we can avoid environmental or ecological disasters. Understanding the natural process, which has been developed by Cyanobacteria and plants during several billion of years, it also allows us to use the basic chemistry and physics of photosynthesis for other purposes, such as solar energy conversion and the development of medicines and drugs.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Carotenoids are widespread pigments. Polyunsaturated lipids are membrane constituents. The main components of photosynthetic apparatus reside in photosynthetic membranes and produce the oxygen and sugar what we are consuming. Carotenoids can be located in the membranes, as well. They interact with lipids and various proteins of photosynthetic apparatus.
Cyanobacteria are good model systems to investigate the mechanism of photosynthesis. All organisms have to cope with different stress factors low and high temperatures. High light is also a stress factor for photosynthetic organisms.
My aim is to study how these carotenoids, polyunsaturated lipids, protein complexes symmetrically support protection against to these stress conditions. I will use genetically modified cyanobacterial strains to investigate that how these substances can affect photosynthetic machinery and also what is the consequence of their absence in stress conditions. This lipid-protein interactions what I am going to study would be a rather new research field. I intend to use various methods to monitor the functions of photosynthetic apparatus and the structural changes. I am going to measure the oxygen-evolving activity of the cells and perform fluorescence measurements to monitor the photosynthetic activity of the cells. I am to use chromatographic methods to separate photosynthetic complexes. I am also planning to investigate the synthesis and degradation of protein complexes.
My studies will give important information about the synergetic role of carotenoids, lipids, photosynthetic complexes in photosynthesis, mainly in stress tolerance.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
