 |
Regulation of Stress Adaptation in Cultured Microalgae
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
114511 |
| Type |
NN |
| Principal investigator |
Galiba, Gábor |
| Title in Hungarian |
Stressz adaptáció szabályozása tenyésztett mikroalgákban |
| Title in English |
Regulation of Stress Adaptation in Cultured Microalgae |
| Keywords in Hungarian |
növényi biotechnológia, stressz adaptáció, gén szabályozás, fehérje foszforiláció, tenyésztett alga, Chlamydomonas |
| Keywords in English |
plant biotechnology, stress adaptation, gene regulation, protein phosphorylation, cultured alga, Chlamydomonas |
| Discipline |
| Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Ambrus, Helga Márta
Cseh, Márton
Dóczi, Róbert
Dőry, Magdolna
Nádai, Tímea Virág
|
| Starting date |
2015-04-01 |
| Closing date |
2019-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
32.796 |
| FTE (full time equivalent) |
7.20 |
| 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 mikroalgák biotechnológiai felhasználásának jelentősége rohamosan nő, jelenleg elsősorban értékes biológiai anyagok (másodlagos anyagcseretermékek) előállítása céljából, alkalmazásuk azonban bioüzemanyag előállítására is hatalmas potenciált jelent. Gazdasági jelentőségük ellenére a mikroalgák környezeti adaptációjáról, az ezt szabályozó molekuláris jelátviteli mechanizmusokról jelenlegi ismereteink meglehetősen korlátozottak. Ezért a javasolt kutatás célja, hogy hozzájáruljon e jelentős ismerethiány csökkentéséhez, Chlamydomonas reinhardtiiban, a modell egysejtű algafajban működő környezeti szabályozó mechanizmusok megismerése által. A téma kutatását nem csak az indokolja, hogy a tenyésztési körülmények stabilitásának biztosítása ipari volumenű kultúrákban önmagában is nehezen megoldható kihívás, hanem, hogy számos metabolit termelését jelenleg is stressz kezelés alkalmazásával indukálják az ipari gyakorlatban.
Célunk a mitogén-aktivált protein kináz (MAPK) jelátvitel eleminek funkcionális vizsgálata, a stressz válaszban betöltött szerepük megismerése expressziójuk, aktivációs mintázatuk, csendesített és túlexpresszáló mutánsok vizsgálatával. Transzkriptóm analízissel MAPK jelátvitel által szabályozott géneket tervezünk azonosítani, így többek között jobban megismerhetjük a metabolikus gének szabályozását. Továbbá, egy, általunk virágos növényben már sikeresen alkalmazott, új kísérleti eljárással szeretnénk sejtciklus szabályozó faktorok foszforiláltságának környezeti szabályozását vizsgálni.
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.
A mikroalgák élettanáról, környezeti adaptációjáról jelenleg rendelkezésre álló ismereteink hiányosak, különösen a jól tanulmányozott modell fajokhoz képest. Ez kiemelten igaz a stressz választ szabályozó molekuláris jelátviteli folyamatokra. A kutatás fő kérdése, hogy milyen szerepet játszanak a fehérje kinázok Chlamydomonas stressz adaptációjában.
A MAP kináz jelátviteli utak minden eukariótában konzervált központi szabályozó modulok. A sejtciklus szabályozásában betöltött funkciójuk élesztő és állati rendszerekben részletesen tanulmányozott. Növényekben kulcsfontosságúak a stressz válaszok szabályozásában. Korábbi komparatív genomikai munkánk során azonosítottuk a Chlamydomonas genomban kódolt MAPK géneket, azonban ezek funkciója továbbra is ismeretlen. A kutatás során két, filogenetikailag reprezentatív, MAPK komponens részletes funkcionális vizsgálat végezzük el. Ezen belül különös hangsúlyt kap a sejt ciklus szabályozó faktorok, mint pl. WEE és DP foszforilációs szabályozásának vizsgálata.
A kísérletek eredményeként fontos ismeretket kapunk a mikroalgák növekedése és a környezeti tényezők közötti kapcsolatról.
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!
A fotoszintetikus algák jeltátviteli folyamatai, a sejtciklus és az anyagcsere környezeti szabályozása jelenleg alig kutatott területek, így a várható eredmények alapkutatási szempontból teljesen újszerűek. A genomikai és a fehérje biokémiai módszerek fejlődése, valamint egy rendelkezésre álló modell alga faj, kiváló technikai hátteret biztosítanak az ilyen irányú kutatások megkezdéséhez, ezért a kutatási téma nagyon időszerű. Szemben a jól jellemzett élesztő és emlős modell rendszerekkel, a protein kinázok működésnek részletei a növényi jelátviteli folyamatokban lényegesen kevésbé, algákban pedig szinte egyáltalán nem ismertek. A kutatás során lehetőség nyílik kétirányú tudástranszferre: egyrészt a virágos növényekben szerzett tudás alapján tudunk hipotéziseket állítani és kísérleteket tervezni algában, másrészt egyes eredmények a virágos növények területén is újszerűnek ígérkeznek. A szerzett ismeretek alapján betekintést nyerhetünk a jelátviteli folyamatok evolúciójába a növényvilágban.
Az eredmények hasznosíthatósága elsősorban egy fejlődő iparág, az alga biotechnológia területén valószínűsíthető. Nagy volumenű kultúrákban reális probléma a szuboptimális körülmények előfordulása, illetve a tenyésztési körülmények változtatásával befolyásolhatóak az algák anyagcsere folyamatai. E technológiák fejlesztéséhez, kiszámíthatóbbá tételéhez, elengedhetetlen az algák stressz adaptációs mechanizmusainak molekuláris szintű megismerése. Az eredmények biotechnológiai hasznosításának az együttműködő intézetben komoly hagyományai vannak, az e célból létre hozott ALGATECH projekt 10 millió Eurós befektetéssel jött létre, és jelenleg több mint 50 főt foglalkoztat.
Mivel az algavirágzás jelenségének biológiai hátterében szintén a környezeti feltételek és az algák osztódásának kölcsönhatása áll, az eredmények ökológiai szempontból is érdekesnek bizonyulhatnak.
A projekt során, két kiválóan illeszkedő szakterület együttműködése valósulhat meg. Külföldi együttműködőnk a sejtciklus és a stressz kapcsolatát kutató Chlamydomonas specialista, míg a pályázó kutatási területe a fehérje kinázok és jelátvitel szerepe a növényi adaptációs folyamatokban.
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 kutatási program alapvető célja azoknak a sejten belüli szabályozó mechanizmusoknak a megismerése, amelyek a fotoszintetikus mikroalgák sejtosztódási folyamatait összehangolják a környezeti körülményekkel. Mint minden sejt, az egysejtű algák is folyamatosan érzékelik a környezeti körülményeket (pl. tápanyag ellátottság, fényviszonyok, hőmérséklet, kórokozók) és reagálnak azok változásaira. E komplex adaptációs válasz részét képezi pl. az anyagcsere folyamatok megfelelő áthangolása, vagy éppen a sejtosztódás időzítésnek optimalizálása, a megváltozott körülményeknek megfelelően. E folyamatok megismerését különösen indokolttá teszi, hogy a mikroalgák biotechnológiai felhasználásának jelentősége rohamosan nő. Jelenleg elsősorban értékes biológiai anyagok előállítása céljából tenyésztenek ipari körülmények között alga kultúrákat, alkalmazásuk azonban bioüzemanyag előállítására is hatalmas potenciált jelent. A tenyésztési körülmények változásának következményeit feltáró ismeretekre egyre nagyobb szükség van ezeknek a technológiáknak a fejlesztéséhez. Gazdasági jelentőségük ellenére az algák adaptációs mechanizmusairól jelenlegi ismereteink minimálisak. A kutatási projekt célja e jelentős tudáshiány csökkentése, két, a cseh, illetve a magyar akadémiai kutatóhálózatban működő csoport együttműködésében. Az együttműködő felek szakterületei tökéletesen illeszkednek e feladathoz, a cseh partner az algák sejtosztódását, a magyar fél a növények környezeti adaptációját kutatja.
Az algák környezeti válaszreakcióiról szerzett ismeretek az élettani és az evolúcióbiológiai tudás bővítése mellett hasznosulhatnak a biotechnológiában, mezőgazdaságban és a környezetvédelemben is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Use of microalgae in biotechnology is of increasing importance, currently mainly for the production of valuable biological compounds (secondary metabolites), but their application for biofuel production also has a great potential. Despite their economic importance, our knowledge on the environmental adaptation of algae, and its regulatory signalling mechanisms is rather limited. This is a major gap of knowledge, and our research goal is to reveal environmental adaptation mechanisms in the model alga species, Chlamydomonas reinhardtii. Research into this area is justified not only by the fact that stability of conditions in industrial cultures is a constant challenge, but that induced production of many metabolites by stress treatments is a common industrial practice.
Our goal is the functional analysis of mitogen-activated protein kinase (MAPK) signalling components, understanding their roles in stress response by characterising their expression, activation patterns, and silencing and overexpression mutants. Genes regulated by MAPK signalling will be identified by transcriptome analysis, thus, amongst others, we will get insight into the regulation of metabolic genes. Furthermore, we will investigate environmental regulation of the phosphorylation status of cell cycle regulatory factors by a novel experimental approach, which we have recently applied to flowering plants.
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.
Our current knowledge on the physiology of algae, their environmental adaptation, especially in comparison to well-studied model species, is rather limited. This is especially true for the molecular mechanisms governing the stress response. The main focus of the project is the role of protein kinases in the stress adaptation of Chlamydomonas.
The MAPK phosphorylation cascades are conserved signalling modules in all eukaryotes. Their functions in cell cycle regulation in yeast and mammalian systems are described to great detail. They play key roles in regulating stress responses in plants. The MAPK genes encoded in the Chlamydomonas genome were identified in our previous comparative genomics study, however their functions still remain unknown. During this project detailed functional analysis of two, phylogenetically representative MAPK components will be carried out. Special emphasis will be placed on phosphorylation of cell cycle regulatory factors, e.g. WEE and DP.
Through the results of these experiments we will gain important knowledge regarding the connection between growth of microalgae and environmental conditions.
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.
Currently there is little research on signalling mechanisms, environmental regulation of the cell cycle and metabolism in photosynthetic algae, thus the expected results are of great novelty in terms of basic research. Development of genomics and protein biochemistry, and the availability of a model alga species provide an excellent technical background for such research, therefore the project is very timely. In comparison to the well characterised yeast and mammalian model systems, functional details of protein kinases in plant signalling are much less understood, while they are almost completely obscure in algae. This project provides an opportunity for two-way knowledge transfer: on the one hand it is possible to make hypotheses and design experiments based on the knowledge from flowering plants, while on the other hand some results can contribute novelty to flowering plant research. The expected results will provide an insight into the evolution of signalling mechanisms in the plant kingdom.
Application of the results is most probable in the emerging industry of algal biotechnology. Occurrence of suboptimal conditions in large-scale cultures is a realistic problem, furthermore algal metabolism can be influenced by changing culture conditions. Understanding stress adaptation mechanisms of algae at the molecular level is an important prerequisite for improving these technologies. There is a good tradition of biotechnological use of research results in the partner institute, the ALGATECH project is established to this end, with a 10 million Euro investment, currently employing more than 50 people.
Because the regulatory connection between environmental conditions and cell division is in the background of algal blooms, results can also have implications in ecology.
Through this project collaboration between two well-matching fields of expertise can be brought about. The foreign collaborator is a Chlamydomonas researcher, specialised in the link between the cell cycle and stress; while the applicant’s field is the role of protein kinases and signalling in plant adaptation processes.
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.
The fundamental goal of this research programme is to reveal those cellular regulatory mechanisms that adjust proliferation of photosynthetic microalgal cells to environmental conditions. Like every cell, unicellular algae also continuously sense their environmental conditions (e.g. nutrient availability, light, temperature, pathogens) and react to their changes. This complex adaptation response constitutes of for example rearrangement of metabolism or optimisation of cell division rate, in accordance to the changing conditions. Understanding these mechanisms is especially timely with the increasing use of algae in biotechnology. Currently industrial alga cultures are used for the production of valuable materials, but their application for biofuel production also has a great potential. Improvement of these technologies requires knowledge on consequences of changing culture conditions. Despite their economic importance, our current knowledge on the adaptation mechanisms of algae is minimal. The goal of the research project is to decrease this major gap of knowledge, within the framework of collaboration between two groups of the Czech and the Hungarian Academies’ research networks. The collaborating partners’ fields of expertise perfectly match the task, the Czech partner studies proliferation of algal cells, the Hungarian partner’s research interest is environmental adaptation of plants.
Apart from contribution to physiology and evolutionary biology, knowledge on algal environmental responses has implications is biotechnology, agriculture and ecology.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Dőry M., Doleschall Z., Nagy Sz., Ambrus H., Jäger K., Mészáros T., Barnabás B., Dóczi R.: Növényi transzkripciós faktorok foszforilációjának kimutatása egy új, kináz-szubsztrát kapcsolatok vizsgálatára alkalmas módszerrel, FIBOK 2016, Fiatal Biotechnológusok Országos Konferenciája, Gödöllő, 2016.03.21-22., 2016 | | Dory M., Doleschall Z., Nagy S.K., Ambrus H., Mészáros T., Barnabás B., Dóczi R.: Kinase-Associated Phosphoisoform Assay: A Novel Candidate-Based Method to Detect Specific Kinase-Substrate Phosphorylation Interactions In Vivo., BMC Plant Biol 16:204, 2016 | | Dőry M, Doleschall Z, Nagy SK, Jäger K, Mészáros T, Barnabás B, Dóczi R: Novel substrates reveal a central role of MAP kinase signaling in environmental adaptation of plant growth., Biochemistry, issue XL/3 (HU ISSN 2060 8252, HU ISSN 0133 8455) p. 44., 2016 | | Dory M., Hatzimasoura E., Nagy S.K., Jäger K., Mészáros T., Lopez Juez E., Barnabás B., Palme K., Bögre L., Ditengou F.A., Dóczi R.: Coevolving MAPK and PID phosphosites indicate an ancient environmental control of PIN auxin transporters in land plants., FEBS Letters 592:89-102, 2018 | | Nádai TV, Kalapos B, Galiba G, Bisova K, Dóczi R: Functional analysis of mitogen-activated protein kinase (MAPK) signalling in the model unicellular microalga, Chlamydomonas reinhardtii., FIBOK, National Conference of Young Biotechnologists 28-29 March, Budapest, Hungary ISBN 978- 963- 315- 370-3, 2017 | | Nádai TV, Bisova K, Dóczi R: Exploring environmental signal transduction in the model unicellular microalga, Chlamydomonas reinhardtii., 8th Symposium on “MICROALGAE AND SEAWEED PRODUCTS IN PLANT/SOIL-SYSTEMS” 26-27 June, Mosonmagyaróvár, Hungary, 2017 | | Balázs Kalapos, Monika Hlavová, Tímea V. Nádai, Gábor Galiba, Kateřina Bišová, Róbert Dóczi: Early Evolution of the Mitogen-Activated Protein Kinase Family in the Plant Kingdom, Scientific Reports, 2019 | | Dóczi R, Kalapos B, Nádai TV, Galiba G: Towards understanding early evolution of the plant mitogen-activated protein kinase family through comparative genomics across Chlorophyta., IPMB 2018 - 12th International Congress of Plant Molecular Biology, 5-10 August, Montpellier, France, 2018 | | Dóczi R, Nádai TV, Kalapos B, Galiba G, Bisova K: The role of mitogen-activated protein kinase signaling in oxidative stress in the model unicellular microalga, Chlamydomonas reinhardtii., IPMB 2018 - 12th International Congress of Plant Molecular Biology, 5-10 August, Montpellier, France, 2018 | | Nádai TV, Kalapos B, Galiba G, Bisova K, Dóczi R: Mitogen-Activated Protein Kinase Signalling in the Model Unicellular Microalga, Chlamydomonas reinhardtii., FEBS3+ Conference, From Molecules to Living Systems, 2-5 September 2018, Siófok, Hungary, 2018 | | Nádai TV, Boldizsár Á, Kalapos B, Darkó É, Bišová K, Galiba G, Dóczi R: The Role of Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPK) Signalling in Oxidative Stress in the Unicellular Model Organism, Chlamydomonas Reinhardtii., International Conference on Plant, Cellular and Molecular Biology (Plant2019), 18-20 February, 2019, Valencia, Spain, 2019 | | Nádai TV, Boldizsár Á, Kalapos B, Darkó É, Galiba G, Bisova K, Dóczi R: The Adaptive Role of Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPK) Signalling in Chlamydomonas Reinhardtii Grown Under Paraquat Induced Oxidative Stress., International Conference on Plant Science Research, 04-06 March, 2019, Baltimore, MD, USA, 2019 | | Dóczi R. and Bögre L.: The Quest for MAP Kinase Substrates: Gaining Momentum., Trends in Plant Science 23:918-932., 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
