 |
Establishment of genuinely photoautotrophic hydrogen production in the green alga, Chlamydomonas reinhardtii
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121139 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Nagy, Valéria |
| Title in Hungarian |
Teljes mértékben fotoautotróf hidrogéntermelés megvalósítása Chlamydomonas reinhardtii zöldalgában |
| Title in English |
Establishment of genuinely photoautotrophic hydrogen production in the green alga, Chlamydomonas reinhardtii |
| Keywords in Hungarian |
hidrogéntermelés, fotoszintézis, anaerobiózis, zöld alga |
| Keywords in English |
hydrogen production, photosynthesis, anaerobiosis, green algae |
| Discipline |
| Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 60 % | | Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences) | 40 % |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Tóth, Szilvia Zita
|
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2021-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
15.264 |
| FTE (full time equivalent) |
2.03 |
| 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 Chlamydomonas reinhardtii zöldalga a fotoszintézishez kapcsoltan H2-t termel az első fotokémiai rendszer akceptor oldalán található Fe-Fe típusú hidrogenáza segítségével. Természetes körülmények között a termelődő H2 mennyisége csekély, mivel a fotoszintézisben képződött O2 gátolja a hidrogenáz aktivitását. Ismert, hogy kénmegvonás következtében az O2-termelésért felelős második fotokémiai rendszer (PSII) részben inaktiválódik és a kialakult anaerob körülmények között megindul a H2-termelés. E rendszer hátránya, hogy a sejtfunkciók károsodnak, a sejtek pedig szerves szénforrásként acetátot igényelnek.
A természetben előforduló H2-termelés folyamatához hasonló rendszer az anaerob indukcióval történő H2-termelés. Sötétben a zöldalgák gyakran kerülnek anoxiás állapotba, melynek következtében a hidrogenáz aktiválódik, majd megvilágítás hatására, mintegy biztonsági szelepként beindul a H2-termelés. Ez a folyamat normál körülmények között néhány percig tart, mivel a Calvin-Benson ciklus aktiválódását követően O2 is képződik, ami gátolja a hidrogenázt. Feltételezzük, hogy a fenntartható fotobiológiai H2-termelés kulcsa a Calvin-Benson ciklus inaktív állapotban tartása, illetve az alacsony O2 koncentráció biztosítása.
Célkitűzéseink: (i) anaerob körülmények által indukált, teljesen fotoautotróf, acetát nélküli H2-termelés megvalósítása; (ii) a hidrogenázt jelentősen gátló O2 eliminálása kémiai és biológiai módszerek segítségével; (iii) csökkent aktivitású vízbontó komplexszel rendelkező PSBO-amiRNS vonalak és más fotoszintetikus mutánsok vizsgálata; (iv) a hatékony fotobiológiai H2-termelés hátterének feltárása transzkriptomika és metabolomika segítségével.
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.
Az ismert mikroorganizmusok közül a Chlamydomonas reinhardtii zöldalga képes a leghatékonyabb H2-termelésre. Azonban Fe-Fe típusú hidrogenáza igen érzékeny a fotoszintézis során termelt O2-re, ami nagymértékben korlátozza a gazdasági hasznosítás lehetőségét. Jelentősebb H2-termelést kénmegvonással lehet elérni, ugyanis ennek hatására a második fotokémiai rendszer (PSII) részben leépül, az O2-termelés mértéke csökken, a kultúrák anaerobbá válnak és a hidrogenáz enzim expressziója megemelkedik. Azonban a PSII elengedhetetlen a lineáris elektrontranszport működéséhez így ez a rendszer csak néhány napig tartható fenn.
A másik H2-termelésre használt módszer az anaerob indukció. Ilyenkor a kultúrákat néhány órás sötétperiódusnak teszik ki, amely során a hidrogenáz kifejeződik, majd megvilágítás hatására nagy mennyiségű H2-t kezd termelni, amelyet azonban a fotoszintézisben felszabaduló O2 rövid időn belül inaktivál.
Ahhoz, hogy fenntartható fotoautotróf H2-termelést tudjunk elérni, az O2-t eliminálnunk kell, meg kell őrizni a lineáris elektrontranszport aktivitását, illetve a Calvin-Benson ciklusnak - ami a hidrogenáz enzim fő kompetitora – inaktívnak kell maradnia.
Projektünk előkísérletekkel alátámasztott kiindulópontja az, hogy zárt kultúrákban, acetát nélkül a Calvin-Benson ciklus inaktív, így az elektronok nagyobb hatékonysággal fordítódhatnak H2-termelésre, illetve kevesebb O2 is termelődik. A maradék, a fotoszintézis során keletkező O2-t különböző kémiai és biológiai módszerek segítségével próbáljuk eliminálni, és ezzel fokozni a H2-termelés hatékonyságát. Emellett optimalizáljuk a nevelési körülményeket és különböző fotoszintetikus mutánsokat is tesztelünk.
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 alternatív energiaforrások feltárása korunk egyik legfontosabb feladata, amelyben fontos szerephez juthatnak a napenergia felhasználására alapozott biológiai alapú rendszerek, melyek megfelelő körülmények között és/vagy biotechnológiai módosítások révén energiatermelésre foghatók. Ezen a területen az utóbbi években jelentős előrelépések történtek; az egyik legígéretesebb módszer a zöldalgák fotobiológiai H2-termelése, melynek elméleti hatékonysága igen kedvező, az algák nevelése nem igényel termőterületet és a megtermelt biomassza is felhasználható. A H2-termelés indukálására a legelterjedtebb módszer a kénmegvonás, amelynek azonban számos élettani és gazdasági hátránya van, pl. a kénmegvonás jelentős energiaigénye, a kénmegvonás hatására a H2-termeléshez nélkülözhetetlen fotoszintetikus apparátus gyors leépülése, valamint ez a rendszer szerves szénforrásként acetátot igényel, amely szintén jelentős költségtényező.
Az általunk javasolt és vizsgálni kívánt kísérleti rendszerben a zöldalgák a természetben előforduló H2-termelési folyamatát igyekszünk imitálni, mely szerint a H2-termelést sötét, anaerob körülmények indukálják (tehát nem kénmegvonás), és teljesen fotoautróf módon, a fotoszintézisben létrejött redukáló erők fordítódnak H2-termelésre. A Calvin-Benson ciklus aktiválódását CO2-mentes légtérben való neveléssel védjük ki, emellett a kis mennyiségben termelt O2 különböző kémiai és biológiai módszerekkel kívánjuk eliminálni. Az egyedisége az általunk használt módszernek az, hogy a H2-termelés acetátmentes tápoldatban történik, ami költséghatékonyság szempontjából igen kedvező.
Előkísérleteink azt mutatják, hogy a C. reinhardtii sejtek anaerob indukció általi, acetátmentes tápoldatban történő H2-termelése igen jelentős, sőt meghaladja a népszerű kénmegvonás módszerével elérhető hozamot, ugyanis ilyen körülmények között a fotoszintetikus apparátus napokig aktív marad.
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 fotoszintetizáló élőlények a napfény energiáját felhasználva szerves anyagokat állítanak elő, amihez a vizet használják fel elektrondonorként és a víz oxidációja során O2 szabadul fel. Bizonyos zöldalgák, mint a Chlamydomonas reinhardtii is, képesek arra, hogy a fényenergia-hasznosításhoz kapcsoltan, azaz fotoszintetikus működésük során, H2-t szabadítsanak föl a hidrogenáz enzimük segítségével. Ezen H2-termelést hosszú ideje próbálják ipari szinten hasznosítani, aminek a legnagyobb akadálya az, hogy a hidrogenáz enzim nagyon érzékeny az O2-re, jelenlétében a H2-termelés teljes mértékben gátolt.
A leginkább elfogadott módszer a Chlamydomonas H2-termelésének indukálására a kénmegvonás. A kénmegvonásnak azonban számos élettani és gazdaságossági hátránya van. Egy másik, kevésbé elterjedt módszer az anaerob indukcióval történő H2 termelés. A természetben a zöldalgák gyakran kerülnek anoxiás állapotba, melynek következtében a hidrogenáz enzimük kifejeződik, és amikor a sejtek fényre kerülnek, megindul a H2-termelés. Azonban a Calvin-Benson ciklus aktiválódását követően megindul az O2 fejlődés, ami gátolja a hidrogenázt. A fenntartható H2-termelés kulcsa a Calvin-Benson ciklus aktivitásának gátlása lehet, ami CO2-mentes, anaerob körülmények között viszonylag könnyen megvalósítható. Célunk tehát a természetben előforduló H2-termelés folyamatához hasonló rendszerrel magas hatékonyságú H2-termelést elérni, illetve a nevelési körülmények optimalizálásával és különböző fotoszintetikus mutánsok felhasználásával kívánunk jelentős lépéseket tenni a gazdasági hasznosíthatóság irányába.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The green alga, Chlamydomonas reinhardtii is capable of producing H2 with the aid its Fe-Fe-type hydrogenase located at the acceptor site of photosystem I. Under natural conditions the amount of produced H2 is very low due to the inhibitory effect of O2 evolved during photosynthesis. In order to improve H2 production, cultures can be deprived of sulphur, which leads to the inactivation of the oxygen-evolving complex of photosystem II (PSII), the establishment of anaerobiosis and the initiation of H2 production. However, this method has the disadvantage that it results in cellular damage and requires acetate as organic carbon source.
Anaerobiosis-induced H2 production is similar to that occurring in nature. Algae are often exposed to dark, anoxic environment, which activates the expression of hydrogenase; upon illumination, H2 production is started, serving as a safety valve for photosynthesis. It is a temporal process for the rapid activation of Calvin-Benson cycle results in O2 evolution, which promptly inhibits H2 production. We suggest that the key to a sustained photobiological H2 production is keeping the Calvin-Benson inactive and maintaining low O2 concentration.
The goals of the present proposal are (i) establishment of anaerobiosis-induced H2 production in acetate-free medium, in a fully photoautrophic manner; (ii) elimination of O2 using chemical and biological methods; (iii) investigation of the H2 production capacities of various photosynthetic mutants including strains with supressed oxygen-evolving activity; (iv) elucidation of the mechanisms underlying the efficient anaerobiosis-induced H2 production with the aid of transcriptomics and metabolomics.
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.
Among the known H2-producing organisms Chlamydomonas reinhardtii is the most efficient one. However, its Fe-Fe type hydrogenase is very sensitive to O2 that highly restrains its biotechnological application. Significant H2 production can be achieved by sulphur deprivation that results in the downregulation of photosystem II (PSII) with a concomitant decrease of O2 evolution, thereby the establishment of anaerobiosis, which induces the expression of hydrogenase. Since active PSII is essential for linear electron transport, which is the main electron source for the hydrogenase, the H2 production can be maintained only for a few days.
The other method for inducing H2 production is anaerobic induction, during which the alga cultures are incubated in darkness that leads to the expression of hydrogenase and when the cells are exposed to light, they produce H2 at a high rate. However, illumination results in the accumulation of O2, which inhibits H2 production.
We suggest that for achieving an efficient photoautotrophic H2 production, the Calvin-Benson cycle has to be kept inactive. At the same time, O2 should be eliminated without inactivating linear electron transport. The starting point of our proposal is that in sealed cultures, in the absence of acetate the Calvin-Benson cycle is inactive, therefore electrons can be utilised for H2 production with high efficiency. We will apply various chemical and biological methods to eliminate the remaining O2 arising from photosynthetic activity in order to increase the efficiency of H2 production. Furthermore, we will compare the H2 production capacity of various photosynthetic mutants and we try to optimise their growing 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.
Quest for renewable energy sources is an urgent problem human race has to face present times. One approach to challenge this problem can be the utilisation of solar energy by living organisms, which under suitable conditions or after biotechnological modifications are capable to produce technologically usable energy sources. Recently there has been significant advances in this field and one of the most promising tools is H2 production by green algae, which has a very high theoretical efficiency, does not require arable land, and algal biomass can be utilized as well. Biological H2 production is usually induced by sulphur deprivation in green algae. However, this method has some physiological and economical disadvantages e.g. the energy demand of sulphur deprivation, sulphur deprivation results in a rapid degradation of the photosynthetic apparatus, acetate is used as carbon source, which significantly increases the costs.
We design and test a system in which we try to mimic the natural H2 production process of Chlamydomonas. In this system the H2 production is induced by a dark anaerobiosis treatment instead of sulphur deprivation and the photoautotrophically generated reducing power is utilised for H2 production. The activation of Calvin-Benson cycle is prevented by removing the CO2 from the headspace of cultures. The novelty of our method is that the H2 production is performed in an acetate free medium that significantly improves the energy efficiency.
Our preliminary results show that the anaerobiosis-induced H2 production by Chlamydomonas reinhardtii in acetate free medium is very efficient since under these circumstances the photosynthetic apparatus may remain active for days.
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.
Photosynthetic organisms produce organic compounds from CO2 and water and evolve O2 using the energy of light. Certain green algae, such as C. reinhardtii are capable to produce H2 coupled to the photosynthetic processes with the aid of their hydrogenase enzyme. In spite of the efforts in the last decades, the potentials of H2 production could not be exploited due to the high sensitivity of hydrogenase enzyme to O2.
The most widely accepted method to induce H2 production in Chlamydomonas is sulphur deprivation, which, however, has many technological and physiological disadvantages. Another less widespread method is the anaerobiosis-induced H2 production. In nature, green algae are often exposed to anoxic conditions during which their hydrogenase enzymes are expressed and upon illumination, H2 production is initiated. Once the Calvin-Benson cycle is also activated, the evolved O2 inhibits the hydrogenases. Key to a sustainable H2 production may be keeping the Calvin-Benson cycle inactive, which can be achieved by ensuring CO2-free anaerobic conditions. Our main goal is to develop a highly efficient H2 producing system based on the natural H2 production process. We will try to develop a marketable and economical H2 producing technology by optimizing cultivation conditions and using various photosynthetic mutants.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
