 |
The role of type II NAD(P)H dehydrogenase in the photosynthetic cyclic electron transport of microalgae
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128977 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Szabó, Milán |
| Title in Hungarian |
A kettes típusú NAD(P)H dehidrogenáz szerepe a mikroalgák fotoszintetikus ciklikus elektron transzport folyamataiban |
| Title in English |
The role of type II NAD(P)H dehydrogenase in the photosynthetic cyclic electron transport of microalgae |
| Keywords in Hungarian |
mikroalgák, fotoszintézis, alternatív elektron-transzport, klorofill fluoreszcencia, oxidatív stressz |
| Keywords in English |
microalgae, photosynthesis, alternative electron transport, chlorophyll fluorescence, oxidative stress |
| Discipline |
| Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Physiological biophysics |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Aslam Sabit, Mohammad
Kirtania, Prithwiraj
Kós, Péter
Patyi, Gábor
Priyanka Pradeep, Patil
Sass, László
Vass, István Zoltán
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2023-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
39.185 |
| FTE (full time equivalent) |
16.98 |
| 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 fotoszintézis redox reakciók sorozata, melynek során számos elektron transzport folyamat biztosítja a fényenergia hasznosítás energetikai feltételeit. A fotoszintézis alapvető funkcióit biztosító lineáris elektron transzport mellett számos más alternatív elektron transzport folyamat is működik, mint pl. a ciklikus elektron transzport, amely a fotoszintézis finomhangolását és az ATP/NADPH egyensúly szabályozását végzi pl. stresszkörülmények során. A ciklikus elektrontranszport szabályozásában igen fontos a NAD(P)H dehidrogenáz (NDH) enzim szerepe, amely a tilakoid membránokon kívüli sztróma régióban található NAD(P)H és a tilakoid membránok lipid fázisában található plasztokinon molekulák közötti elektron áramlást biztosítja. Az I-es típusú NDH jól jellemzett számos algafajban, azonban néhány fajban csak a NDH-2 enzim található meg, melynek szerepe a ciklikus elektron transzport szabályozásában nem ismert.
A projekt célja a NDH-2 enzim által közvetített ciklikus elektron transzport szerepének felderítése olyan mikroalga fajokban, melyek rendkívül fontos szerepet játszanak vízi ökoszisztémákban (a tengeri faj Symbiodinium sp. és az édesvízi modell faj Chlamydomonas reinhardtii) vagy közvetlen jelentőséggel bírnak megújuló fotoszintetikus bioenergia (pl. biodízel) termelésben (Nannochloropsis sp.). A projekt eredményei hozzájárulnak az NDH-2 élettani szerepének megértéséhez, továbbá lehetőség nyílik a NDH-2 stressz-adaptációs folyamatokban betöltött szerepének feltárására is. Így a fotoszintézis és a sejtmetabolizmus kapcsolódásainak feltárásáról is fontos eredmények várhatók, melyeknek közvetlen gyakorlati lehetősége is lehet hasznos anyagcsere-termékek felkutatásában.
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 kutatás alapkérdése az, hogy milyen mértékben járul hozzá a kettes-típusú NAD(P)H dehidrogenáz enzim (NDH-2) a fotoszintetikus ciklikus elektron transzport működéséhez. Az NDH-2 szerepe, funkciója mikroalgákban nem ismert, részletes vizsgálatokat a fotoszintézisben betöltött szerepére nem végeztek. A kutatás kiinduló hipotézise az, hogy stressz körülmények között, pl. amikor a szén-dioxid megkötés gátlása miatt hiányzik a lineáris elektron transzport végső akceptora, a ciklikus elektron transzport aktiválódik, amelyben a NDH-2 fontos redox szabályozó mechanizmusként működik. Az NDH-2 közvetlen szerepe specifikus gátlószerek alkalmazásával, valamint az NDH-2 fehérjét kódoló gént nem tartalmazó mutánsok segítségével vizsgálható. Az NDH-2 hiánya, illetve kémiai gátlása megakadályozza a NAD(P)H-ról a plasztokinon pool-ba történő elektron áramlást, így a ciklikus elektron transzport nem működik. Ilyen körülmények között jól vizsgálható, hogy az NDH-2 funkció-vesztés hatása milyen szerepet játszik az algák élettani folyamataiban szelektív körülmények között (pl. fénystressz). A ciklikus elektron transzport rendszer-szintű leírása mellett a sejtanyagcserében fontos szabályozó metabolitok (pl. NADPH) és elektron transzport komponensek (pl. ferredoxin és plasztocianin) kinetikája is tanulmányozható. Így megválaszolható az a kérdés is, hogy milyen szerepet játszanak az egyes fotokémiai rendszer donor és akceptor oldalán található elektron hordozó komponensek az alternatív elektron transzport folyamatok és a hozzájuk kapcsolódó metabolikus folyamatok szabályozásában, eddig még nem jellemzett, de gyakorlati szempontból fontos algafajokban.
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 mikroalgák ciklikus elektron transzport folyamatainak feltárása intenzíven kutatott terület, azonban az NDH-2 által közvetített ciklikus útvonal megléte még csak feltételezés, amely az NDH-1 enzimre vonatkozó eddigi eredményekből extrapolálható. Az NDH-1 enzimmel kapcsolatos legújabb kutatási eredmények arra utalnak, hogy ennek hiánya ugyan nem eredményez fenotípus változást normál laboratóriumi körülmények között, környezeti stressz (magas fényintenzitás, vízhiány, alacsony hőmérséklet) hatására viszont a növekedés gátlása figyelhető meg az NDH-1-et nem tartalmazó mutánsokban. Az a tény hogy egyes algafajokban csak NDH-2 található, erősen indikálja a NDH-2 közvetített ciklikus útvonal fiziológiai jelenlétét, aminek felderítése és az algák stressztűrő képességében betöltött szerepe ezért egy igen jelentős kutatási terület. A jelen pályázat újszerűsége abban rejlik, hogy komplex kutatási megközelítés alkalmazásával részletes vizsgálatokat tűz ki célul az NDH-2 NAD(P)H dehidrogenáz szerepének tisztázására mikroalgákban. Az NDH-2 –t mikroalgák közül eddig csak a modell algafajban, Chlamydomonas reinhardtii-ban azonosították, azonban annak funkciója és szerepe a ciklikus elektron transzportban és/vagy klororespirációban még nem ismert. Ezek a folyamatok feltételezhetően más, nagy gyakorlati jelentőséggel bíró algákban is működnek, ezért a pályázat mindenképpen új, szélesebb körű eredményeket hoz az NDH-2 ciklikus elektron transzport szabályozásában és jelátvitelében betöltött szerepével kapcsolatban, és a projekt így eddig nem jellemzett, de ökológiai és biotechnológiai szempontból igen jelentős algafajokban is információt szolgáltat a fotoszintézis szabályozásáról, annak metabolikus kapcsolatairól, amely így stressz ellen védelmet nyújtó metabolitok és jelátviteli utak azonosítását is lehetővé tenné.
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.
Földünk és az emberiség egyik jelentős problémája a globális klímaváltozás okozta környezeti és társadalmi károk. Ennek megakadályozására elkerülhetetlenül fontos a fosszilis energiahordozók felhasználásának csökkentése, és olyan megújuló energiahordozók feltárása, amelyek üvegház-hatás szempontjából semlegesen viselkednek. Ilyen energiaforrás lehet a parányi, fotoszintézisre képes élőlényekből, a mikroalgákból származó, biodízel és biohidrogén. A mikroalgák számos egyéb, számunkra fontos anyagot is termelnek, mint pl. gyógyszer alapanyagok és tápanyag-kiegészítők, ami változatos és flexibilis anyagcseréjüknek köszönhető. Azonban ahhoz, hogy ezeket a anyagokat költséghatékony módon ki tudjuk nyerni, elengedhetetlen a mikroalgák élettani folyamatainak részletes megértése. A projekt azt vizsgálja, hogy hogyan működnek egyes, a fényenergia kémiai energiává történő átalakításában fontos szerepet játszó enzimek, amelyek a fotoszintézis hatékonyságát, a sejtanyagcserét, és így az alga-biomassza termelődését is befolyásolják. Megvizsgáljuk, hogy ezen enzimek hiánya hátráltatja-e a sejtek növekedését stressz körülmények során, illetve, hogy milyen kapcsolatban állnak egyéb anyagcsere folyamatokkal, amelyek az emberiség számára hasznos termékek képződéséért felelősek. Eredményeink választ adhatnak arra, hogy bizonyos specifikus élettani folyamatok szabályozásával növelhető-e a mikroalgák stressztűrő képessége, így pl. alkalmazhatók-e a mikroalgák bio-üzemanyagok és magas értékű anyagok ipari skálán történő termelésére.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Photosynthesis is a series of redox reactions, in which several electron transport processes operate to provide the energetic balance of light harvesting. Besides linear electron flow, which ensures the basic functions of photosynthetic productivity and carbon fixation, alternative electron transport pathways operate, i.e. the cyclic electron transport, which play a role in fine-tuning of photosynthesis and balancing the ATP/NADPH ratio under stress conditions. The enzymes NAD(P)H dehydrogenases (NDHs) play important role in the regulation of cyclic electron transport by mediating the electron flow from stromal NAD(P)H to the plastoquinone molecules located in the lipid phase of the thylakoid membranes. The type I NDH is well characterized in several microalgae species, however some species possesses only type II NDH dehydrogenase, the role of which in cyclic electron flow remains uncharacterized so far.
The aim of the project is the characterization of NDH-2 mediated cyclic electron flow in microalgae that play crucial role in aquatic ecosystems (the marine species Symbiodinium sp., the freshwater model species Chlamydomonas reinhardtii) and in species that have high relevance in bioenergy (e.g. biofuel) production (Nannochloropsis sp.). The outcomes of the project would contribute to the understanding of the physiological roles of NDH-2 and reveal its significance in regulatory processes related to stress-adaptation. Therefore the connection between cyclic electron flow and cellular metabolism could also be revealed, which potentially gives information about the metabolic regulation of high value products.
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.
The central question of the project is to what extent type II NAD(P)H contributes to the operation of cyclic electron flow. The role and function of NDH-2 in cyclic electron flow is unknown in microalgae, and no detailed investigations have been conducted to clarify its role in photosynthetic productivity. The hypothesis of the project is that under inorganic carbon limitation, e.g. when the terminal acceptor of linear electron transport (carbon dioxide) is not available, the cyclic electron flow becomes activated, which is mediated by NDH-2 as an important redox regulatory pathway. The question on the role of NDH-2 in electron transport will be investigated using chemical inhibitors and loss-of-function mutants that do not contain the NDH-2 coding gene. The lack of NDH-2 or the chemically inactivated NDH-2 results in the impairment of the electron flow from NAD(P)H to plastoquinone pool, thus cyclic electron flow is dysfunctional. The loss of the function of NDH-2 on microalgal cell physiology can thus be studied under selective conditions that may require additional ATP synthesis (e.g. under light stress). Besides the systematic description of cyclic electron flow, the kinetics of intermedier metabolites (such as NADPH) or individual components that play important regulatory roles, such as ferredoxin and plastocyanine, can also be revealed. Thus the question on the role of donor and acceptor side processes of Photosystem I in cyclic electron flow and related metabolic processes can be answered in microalgae, which have high relevance in natural ecosystems and biotechnological applications.
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.
The cyclic electron transport of microalgae is an intensively studied research area, however, the NDH-2 mediated cyclic pathway is only a putative mechanism in microalgae, and its existence can only be extrapolated from the currently available knowledge on the NDH-1 pathway. The most recent research findings in plants indicate that the lack of the NDH-1 pathway does not cause altered phenotype under standard laboratory conditions, but under stress conditions (such as light stress, water deficiency, low temperature) the impairment of biomass production and growth can be observed. The fact that only NDH-2 can be found in certain microalgae strongly indicates the existence of a NDH-2 mediated pathway, the investigation of which is a significant research aim. The novelty of the current project is that it employs comprehensive methodological approaches and carries out detailed experiments to clarify the role of NDH-2 in microalgae. The NDH-2 was so far identified only in Chlamydomonas reinhardtii, and its role in cyclic electron transport and/or chlororespiration is largely unknown. These physiological processes putatively operate in other, practically significant microalgae as well, and thus the project will provide novel results about the role of NDH-2 in the regulation and signaling of cyclic electron flow and thus the outcomes will provide the basis of stress-adaptation and fitness under fluctuating environments in microalgae that are uncharacterized so far, but have high relevance in ecosystems and biotechnological applications. Therefore the project would provide a broader knowledge on the regulation of photosynthesis and its metabolic connections in high value microalgae, and thus potentially enables identifying novel signaling and metabolic pathways.
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.
Environmental and socio-economic problems caused by global climate change are becoming increasingly significant challenges to solve for mankind and the Biosphere. To mitigate the detrimental effects of climate change, reducing the utilization of fossil energy sources and prospecting for renewable energy sources that are neutral in terms of production of greenhouse gases should be high priorities. Potential renewable sources are the biodiesel and biohydrogen, produced by microalgae, tiny, mostly unicellular photosynthetic organisms. Microalgae also serve as important sources of pharmaceuticals, nutraceuticals and food additives due to their versatile and flexible metabolism. However, in order to harvest algal metabolites in a cost-effective manner, it is crucial to understand their basic physiological processes. The project aims to reveal how microalgae convert the energy of light to chemical energy using various enzymatic processes, which potentially also influence cellular metabolism and biomass production. It will be investigated in the project whether the lack of certain enzymes is detrimental for growth under environmental stress, and how the loss of enzyme function influences certain metabolic processes that produce high value compounds. The results of the project would inform the society whether the biomass production and stress tolerance of microalgae could be enhanced in a way that microalgae could be used for industrial applications.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Mohammad Aslam Sabit, Vass Imre, Szabo Milan: Characterization of the Flash-Induced Fluorescence Wave Phenomenon in the Coral Endosymbiont Algae, Symbiodiniaceae, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 24: (10) 8712, 2023 | | Kodru Sandeesha, Sass László, Patil Priyanka, Szabó Milán, Vass Imre: Identification of the AG afterglow thermoluminescence band in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803, PHYSIOLOGIA PLANTARUM 171: (2) pp. 291-300., 2021 | | Bashir Faiza, Kovács Sándor, Ábrahám Ágnes, Nagy Krisztina, Ayaydin Ferhan, Valkony-Kelemen Ildikó, Ferenc Györgyi, Galajda Péter, Tóth Szilvia Z., Sass László, Kós Péter B., Vass Imre, Szabó Milán: Viable protoplast formation of the coral endosymbiont alga Symbiodinium spp. in a microfluidics platform, LAB ON A CHIP 22: (16) pp. 2986-2999., 2022 | | Patil Priyanka Pradeep, Mohammad Aslam Sabit, Vass Imre, Szabó Milán: Characterization of the wave phenomenon of flash-induced chlorophyll fluorescence in Chlamydomonas reinhardtii, PHOTOSYNTHESIS RESEARCH 152: pp. 235-244., 2022 | | Mohammad Aslam Sabit, Patil Priyanka Pradeep, Vass Imre, Szabó Milán: Heat-Induced Photosynthetic Responses of Symbiodiniaceae Revealed by Flash-Induced Fluorescence Relaxation Kinetics, FRONTIERS IN MARINE SCIENCE 9: p. 932355., 2022 | | Patil Priyanka Pradeep, Vass Imre, Szabó Milán: Characterization of the Wave Phenomenon in Flash-Induced Fluorescence Relaxation and Its Application to Study Cyclic Electron Pathways in Microalgae, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 23: (9) p. 4927., 2022 | | Bashir Faiza, Rehman Ateeq Ur, Szabo Milan, Vass Imre: Singlet oxygen damages the function of Photosystem II in isolated thylakoids and in the green alga Chlorella sorokiniana, PHOTOSYNTHESIS RESEARCH 149: pp. 93-105., 2021 | | Iwasaki Kenji, Evenhuis Christian, Tamburic Bojan, Kuzhiumparambil Unnikrishnan, O'Connor Wayne, Ralph Peter, Szabó Milán: Improving light and CO2 availability to enhance the growth rate of the diatom, Chaetoceros muelleri, ALGAL RESEARCH-BIOMASS BIOFUELS AND BIOPRODUCTS 55: p. 102234., 2021 | | Kodru Sandeesha, Sass László, Patil Priyanka, Szabó Milán, Vass Imre: Identification of the AG afterglow thermoluminescence band in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803, PHYSIOLOGIA PLANTARUM ppl.13317, 2021 | | Patil Priyanka Pradeep, Szabó Milán, Vass Imre: Characterization of the wave phenomenon in flash-induced fluorescence decay in microalgae, XIII. Magyar Növénybiológiai Kongresszus 2021. augusztus 24-27. Szeged, Szegedi Biológiai Kutatóközpont ÖSSZEFOGLALÓ KÖTET, ISBN 978-615-01-2350-9, 2021 | | Szabó Milán: A mikroalgák ciklikus elektrontranszport folyamatainak szabályozása és jelentősége, XIII. Magyar Növénybiológiai Kongresszus 2021. augusztus 24-27. Szeged, Szegedi Biológiai Kutatóközpont ÖSSZEFOGLALÓ KÖTET, ISBN 978-615-01-2350-9, 2021 | | Bashir Faiza, Szabó Milán, Vass Imre: Detection, elimination and damaging effect of singlet oxygen in the photosynthetic apparatus of plants and unicellular microalgae, A Magyar Szabadgyök-Kutató Társaság XI. Kongresszusa (11th Congress of the Hungarian Free Radical Society) PROGRAM ÉS ÖSSZEFOGLALÓK, ISBN 978-615-6203-01-4, 2021 | | Mohammad Aslam Sabit, Szabó Milán, Vass Imre: The role and significance of cyclic electron transport in the coral endosymbiont algae, Symbiodiniaceae, XIII. Magyar Növénybiológiai Kongresszus 2021. augusztus 24-27. Szeged, Szegedi Biológiai Kutatóközpont, ÖSSZEFOGLALÓ KÖTET, ISBN 978-615-01-2350-9, 2021 | | Mallick Ivy, Kirtania Prithwiraj, Szabo Milan, Bashir Faiza, Domonkos Ildiko, Kos Peter B., Vass Imre: A simple method to produceSynechocystisPCC6803 biofilm under laboratory conditions for electron microscopic and functional studies, PLOS ONE 15: (7) e0236842, 2020 | | Patil Priyanka Pradeep, Vass Imre, Kodru Sandeesha, Szabó Milán: A multi-parametric screening platform for photosynthetic trait characterization of microalgae and cyanobacteria under inorganic carbon limitation, PLOS ONE 15: (7) p. e0236188., 2020 | | Szabó Milán, Larkum Anthony W. D., Vass Imre: A Review: The Role of Reactive Oxygen Species in Mass Coral Bleaching, In: Raven, John A.; Grossman, Arthur R.; Larkum, Anthony W.D. (szerk.) Photosynthesis in Algae: Biochemical and Physiological Mechanisms, Springer International Publishing (2020) pp. 459-488., 2020 | | Szabó M, Larkum AWD, Vass I: The Role of Reactive Oxygen Species in Mass Coral Bleaching., In: Larkum AWD, Grossman A, Raven JA (Eds) Photosynthesis in Algae, Advances in Photosynthesis and Respiration. In Press, 2019 | | Szabó Milán, Sass László, Vass Imre: A korallokkal szimbiózisban élő alga, Symbiodinium sp. fotoszintetikus elektrontranszport folyamatainak jellemzése, Hazai Fotoszintézis-kutatók Találkozója, Mátrafüred. Fotoszintézis - Élet a fényből Alapítvány. ISBN 978-615-00-3750-9, 2018 | | Milán Szabó: Integrated microwell plate array to monitor growth, photosynthetic performance and electron transfer circuits in microalgae and cyanobacteria, C3 Colloquium Algal Phenomics, Sydney, Australia, 2018 | | Faiza Bashir, Ferhan Ayaydin, Ildikó Kelemen-Valkony, Györgyi Ferenc, Péter Kós, Milán Szabó, Imre Vass: Protoplast technology as an experimental platform for characterizing oxidative stress in Symbiodinium sp. and other microalgae, 9th Symposium on Microalgae and Seaweed Products in Plant/Soil-Systems, Mosonmagyaróvár, Hungary. Book of Abstracts, 2019 | | Priyanka Pradeep Patil, László Sass, Imre Vass, Milán Szabó: Establishment of a simple screening system for photosynthetic traits of microalgae and cyanobacteria, 9th Symposium on Microalgae and Seaweed Products in Plant/Soil-Systems, Mosonmagyaróvár, Hungary. Book of Abstracts, 2019 | | Szabó Milán, Priyanka Patil, Sandeesha Kodru, Sass László, Vass Imre: A ciklikus elektron transzport szerepe és jelentősége cianobaktériumokban és mikroalgákban., 49. Membrán-Transzport Konferencia, Sümeg, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
