Alternatív elektrontranszport folyamatok vizsgálata cianobaktériumokban számítógépes modellezés és kísérleti megközelítések alkalmazásával: A fényreakciók szabályzásától a megújuló energiatermelésig  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
110960
típus NN
Vezető kutató Vass Imre
magyar cím Alternatív elektrontranszport folyamatok vizsgálata cianobaktériumokban számítógépes modellezés és kísérleti megközelítések alkalmazásával: A fényreakciók szabályzásától a megújuló energiatermelésig
Angol cím Exploration of alternative electron transport pathways in cyanobacteria by computer modeling and experimental approaches: From regulation of light reactions to biosolar fuel production
magyar kulcsszavak Fotoszintetikus elektrontranszport, cianobaktériumok, flavodirion proteinek, szulfid-kinon reduktáz, extracelluláris electron transzport, megújuló energia termelés
angol kulcsszavak Alternative electron transport, cyanobacteria, flavodiiron proteins, sulfide-quinone reductase, extracellular electron transport, biosolar fuel
megadott besorolás
Bioinformatika (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)40 %
Biofizika (pl. transzport-mechanizmusok, bioenergetika, fluoreszcencia) (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)30 %
Ortelius tudományág: Molekuláris biofizika
Általános biokémia és anyagcsere (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)30 %
Ortelius tudományág: Moleculáris tervezés, de novo tervezés
zsűri Molekuláris és Szerkezeti Biológia, Biokémia
Kutatóhely Növénybiológiai Intézet (Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők Deák Zsuzsanna
Kós Péter
Nagy Csaba István
Sass László
projekt kezdete 2014-04-01
projekt vége 2018-03-31
aktuális összeg (MFt) 20.991
FTE (kutatóév egyenérték) 7.40
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A projekt célja a fotoszintetikus fényenergia átalakításban kulcsszerepet játszó elektrontranszport hálózat működésének részletes vizsgálata cianobaktériumokban. Korábbi eredményeinkre támaszkodva tervezzük a cianobakteriális elektrontranszport jellemzését és komplex modelljének kifejlesztését Prof. Eva-Mari Aro (Turku, Finnország) csoportjával folytatott kooperációban, ami elősegíti fiatal kutatók nemzetközi tapasztalatszerzését. A munka fő iránya alternatív elektrontranszport útvonalak vizsgálata különös tekintettel a fényenergiaátalakítás hatékonyságában betöltött szerepükre: (i) A nemrégiben azonosított flavodiiron fehérjék (Flv2/4) által a PSII-től a citoszolikus elektrontranszport komponensekhez irányuló elektronátadás. (ii) A szulfid-kinon reduktáz útvonal, ami H2S külső elektron donor felhasználásával képes a tilakoid membránba ágyazott elektrontranszport komponensek redukciójára, illetve a szintén külső elektron donorként működő H2-től a kétirányú hidrogenáz közvetítésével sejten belüli elektronhordozókhoz történő elektronátadás. (iii) Elektronvezetésre képes pilin fehérjék, pl. a PSII környezetében azonosított PilA1, közvetítésével történő elektrontranszport a tilakoid membrán komponensektől a sejtfalon kívüli elektron akceptorokhoz. Ez az útvonal igen nagy jelentőségű, mivel lehetővé teszi a fényreakciókból származó elektronok kicsatolását a sejteken kívülre. A vizsgálatokat a projektben kifejlesztett modell és az alternatív útvonalakat érintő mutánsok segítségével végezzük. A projekt eredményként egy sokoldalúan hasznosítható modellezési platformot hozunk létre a cianobakteriális elektrontranszport vizsgálatára és bioüzemanyag előállítás optimalizálására.

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 fotoszintetikus energiaátalakításban meghatározó szerepet játszanak az elektrontranszport folyamatok. Munkahipotézisünk szerint az elektrontranszport hálózat működésének megértése és irányított optimalizálása jelentős potenciállal rendelkezik a fotoszintézis alapú megújuló energiatermelés hatékonyságának növelésére. Az ehhez szükséges igen nagy volumenű kísérleti munka megfelelő komplexitású számítógépes modellek segítségével végzett in silico kísérletek végzésével nagymértékben csökkenthető. Az irodalomban jelenleg nem állnak rendelkezésre megfelelő részletességű elektrontranszport modellek, illetve nincsenek megfelelő eszközök a modellek paramétereinek optimalizálására. Munkánk célja a cianobakteriális fotoszintézis komplex elektrontranszport modelljének létrehozása, továbbá a modell és Synechocystis 6803 mutánsok alkalmazása a közelmúltban azonosított alternatív elektronátadási utak részletes jellemzésére Prof. Aro turkui csoportjával együttműködésben. Vizsgálni kívánjuk: (1) A lineáris, ciklikus és alternatív elektronátadási utak kapcsolódását a plasztokinon (PQ) elektronhordozók szintjén; (2) Az Flv2/4 flavodiiron fehérjék által közvetített elektrontranszport út szerepét a fényenergia-átalakításban; (3) Extracelluláris és tilakoid membránba ágyazott elektronhordozók közötti elektronátadás lehetséges útvonalait, egyrészt a szulfid-kinon reduktáz által H2S és PQ között, ill. hidrogenáz által a H2 és NAD(P) között, továbbá elektronvezető (pilin)proteinek és sejten kívüli akceptorok között. A munka további lényeges célja a mutánsok segítségével igazolt modell alkalmazása a bioüzemanyag prekurzorok irányába történő elektrontranszport optimalizálására.

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!

Napjainkban a fotoszintézis kutatás kiemelt jelentőségű az emberiség folyamatosan növekvő energia- és élelmiszer igényeinek kielégítésben. Egyfelől igen fontos a fosszilis energiahordozók kiváltására alkalmas fotoszintézis alapú energiatermelés megvalósítása, másrészről pedig megfelelő mennyiségű és minőségű élelmiszer biztosítása. A magas fényenergia átalakítási hatékonysággal rendelkező fotoszintetizáló mikroorganizmusok, különösen a cianobaktériumok, igen fontosak a megújuló energiatermelés szempontjából. E tekintetben alapvető jelentőségű a fényenergia átalakítási folyamatban kritikus szerepet játszó elektrontranszport folyamatok részletes megértése. Cianobaktériumokban a hagyományosan vizsgált lineáris és ciklikus elektrontranszport utak mellett kevéssé felderített alternatív elektrontranszport útvonalak is jelen vannak. Ezért kutatásaink egyik fő célja ezen alternatív elektronátadási utak szerepének tisztása a fényenergiaátalakítás folyamatában. A projektben tervezett komplex elektrontranszport modell megvalósítása széles körben használható eszközt biztosít, amelynek alkalmazásával gyors, hatékony és költségkímélő in silico kísérletezés végezhető tetszés szerint változtatható körülmények között. A modell igazolása az alternatív útvonalakat érintő mutánsok biofizikai jellemzésével jelentősen javítja ismereteinket a cianobakteriális elektrontranszport hálózatról és elősegíti annak optimalizálását megújuló energiatermelés érdekében.
A projektben tervezett munka Prof. Eva-Mari Aro (Turku, Finnország) nemzetközi szinten kiemelkedő csoportjával együttműködésben történik, ami kiemelt fontosságú a kutatás céljainak megvalósításához. A szegedi csoport számára hozzáférhetővé válik a turkui csoportban előállított nagyszámú mutáns, amelyek felhasználása elengedhetetlen a modell igazolásához, illetve lehetővé válik itthon nem elérhető méréstechnikák (pl. membrane inlet mass spectrometry) alkalmazása. A turkui csoport számára pedig hozzáférhetővé válnak a számítógépes modellezés és elektrontranszport mérések területén a szegedi csoportban rendelkezésre álló módszerek és szakértelem. Szintén igen jelentős a projekt által biztosított nemzetközi kutatási tréning mindkét csoport fiatal kutatói számára.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Napjaink egyik legfontosabb globális kihívása olyan megújuló energiaforrások azonosítása, amelyek lehetővé teszik a fosszilis energiahordozók használatával kapcsolatos környezeti problémák kiküszöbölését. Földünk elsődleges energiaforrása a Nap, amelynek fényenergiája gyakorlatilag kimeríthetetlen mennyiségű tiszta és veszélytelen megújuló energia biztosítására képes megfelelő hatékonyságú fényenergia átalakító rendszerek létrehozása esetén. A napfény fotoszintetikus szervezetek által történő átalakítása csaknem minden földi életforma létezésének alapja. Különösen hatékonyak a fotoszintetizáló mikroorganizmusok, közöttük a cianobaktériumok, amelyek azonban még jelentős potenciállal rendelkeznek a fényenergia hasznosítás hatékonyságának növelésére. A javasolt projekt célja egy széles körben használható modell kidolgozása a cianobakteriális fényenergia átalakítás alapjául szolgáló fotoszintetikus elektrontranszport hálózat leírására. A modell lehetővé teszi a fotoszintézis folyamatainak számítógépes vizsgálatát és megújuló energiatermelésre történő optimalizálását. A projekt megvalósítása Prof. Eva-Mari Aro (Turku, Finnország) kimagasló eredményességű csoportjával együttműködésben történik, és elősegíti mindkét csoport fiatal kutatói részére nemzetközi kutatási tapasztalat szerzését.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Sunlight is an “unlimited” source of renewable energy whose utilization by photosynthetic organisms to produce solar biofuels has an outstanding importance. The aim of the proposed work is an in-depth analysis of the photosynthetic electron transport network, which has a vital role in the initial steps of light energy conversion, in order to develop a complex model that provides firm basis for optimization of photosynthesis for solar biofuel production in cyanobacteria. The project will be done in collaboration with Prof. Eva-Mari Aro (Turku, Finland) based on recent findings of the two groups. The main focus is on the exploration of alternative electron transport routes mediated by (i) flavodiiron proteins from Photosystem II directly to cytosolic carriers, (ii) by sulfide-quinone reductase and hydrogenase transferring electrons from extracellular donors (H2S, or H2) to thylakoid embedded PQ or cytosolic acceptors, respectively, (iii) as well as by molecular wires, such as the PilA1 protein, which can mediate electron transfer from thylakoids to the exterior of cells making possible direct utilization of converted light energy in the form of electricity. A multilevel model of the photosynthetic electron transport network will be developed to describe linear, cyclic and alternative electron transfer pathways and predict the rate of electron flow to precursors of biofuel production. The model will be validated by using mutants of the alternative pathways. The work will provide a versatile platform for characterization and optimization of electron transport for solar biofuel production, and will promote international training of young scientists.

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.

Photosynthetic electron transport is the basis of light energy conversion. According to our hypothesis exploration of the electron transport network and its targeted optimization has a significant potential for improving solar biofuel production in cyanobacteria. This work requires substantial experimental effort, which can be significantly eased by performing in silico experiments with suitable computer models in a short time at minimal cost. In the literature there are no photosynthesis models available so far which describe fine details of electron transport, and at the same time suitable for kinetic predictions of electron flow at individual carriers of the network. We aim to develop a complex model of cyanobacterial electron transport, including recently identified alternative routes, and apply the model in combination with various mutants of Synechocystis 6803, in cooperation with Prof. Eva-Mari Aro (Turku), to: (1) Elucidate the interaction of linear, cyclic and alternative electron transport; (2) Explore the flavodiiron protein mediated electron transport routes and their role in light energy conversion; (3) Explore pathways of electron delivery between extracellular and thylakoid-bound electron carriers, i.e. from H2S to PQ by sulfide-quinone reductase (SQR), from H2 to NAD(P) by hydrogenase working in the uptake direction, and from PQ to the cell exterior by molecular wires (PilA1); (4) Provide predictions for optimization of electron transport towards precursors of solar biofuel production. The work will result in a versatile modeling tool to significantly improve understanding light energy conversion in cyanobacteria and optimizing it for biofuel production.

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.

Today, photosynthesis research is of pivotal importance to guarantee the basic requirements of life of ever increasing human population and limits on usage of fossil fuel resources. On the one hand, it is crucial to combat the climate change and replace fossil fuels with renewable energy carriers. In this battle the solar biofuels, which are produced by photosynthetic microorganisms with high efficiency, are of critical importance. On the other hand, production of food and biomass-based energy also relies on photosynthesis. A deep understanding of the structure, function and regulation of natural photosynthetic energy capture and storage is of fundamental importance to efficiently exploit photosynthetic reactions for the wellbeing of future generations. In-depth understanding of the complex network of electron transport carriers, including recently identified alternative pathways of cyanobacterial photosynthesis is the particular aim of the current project. Realization of the research goals will lead to the development of a versatile modeling tool by which in silico experiments can be performed at a low cost and in a very short time under a wide array of conditions. Validation of the model by biophysical characterization of mutants affecting specific electron transport routes will significantly improve our understanding of light energy conversion in cyanobacteria and will help optimizing it for solar biofuel production. The project will be done in close collaboration with an outstanding group of photosynthesis research lead by Prof. Eva-Mari Aro (Turku, Finland), which is essential for the success of the research goals. On the one hand the Szeged group will have access to a wide array of mutants produced by the Turku group, as well as to methods and techniques, which are not available in Hungary (e.g. membrane inlet mass spectrometry to study separately photosynthetic and respiratory electron transfer). On the other hand, the expertise of the Szeged group in computer modeling and electron transport measurements will be available for the Turku group. A further significance of the proposed collaboration is the promotion of international training of young scientist from both Szeged and Turku.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

A major challenge of recent days is the identification of renewable energy sources, which help to combat the environmental problems caused by the extensive use of fossil energy. Sunlight, whose conversion by photosynthetic organisms provides basis for almost all life on Earth is available in a practically unlimited amount and has an exceptional potential as a source of safe, non-polluting, renewable energy. Photosynthetic microorganisms, especially cyanobacteria have a high efficiency for light energy conversion, however there is still a large potential to improve their efficiency.
The aim of our project is to develop a versatile modeling tool by which the electron transport network, which is the basis of light energy conversion, can be described and optimized for solar biofuel production in cyanobacteria. The model will be validated by using various mutants of Synechocystis 6803 and will be applied to characterize recently identified alternative electron transport routes. The work will be done in close collaboration with the internationally outstanding group of Prof. Eva-Mari Aro (Turku, Finland). Based on previous results and research experience of the participating groups the work is highly feasible, and will promote international training of young scientists.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A munka során kidolgoztunk különböző komplexitású modelleket a fotoszintetikus és a hozzá kapcsolódó respirációs elektron transzport kinetikájának leírására és modellezésére. A modelleket kísérleti adatokkal összevetve validáltuk. Az in silico fotoszintézis modell segítségével új értelmezést adtunk a II-es fotokémai rendszer vízbontó rendszerének működésére, valamint jellemeztük az I-es fotokémiai rendszer elektron transzportját a korall szimbiózis fotoszintetikus alga partnerében (Symbiodinium). Kimutattuk továbbá korábban ismeretlen alternatív elektron transzport útvonal jelenétét a Synechocystis 6803 cianobactériumban. Ezek közül az egyik anaerob körülmények között a H2S elektron donorból elektronokat továbbít a PQ poolba egy I-es típusú szulfid-kinon reduktáz enzim közvetítésével. A másik alternatív útvonal pedig a II-es fotokémai rendszer akceptor oldaláról juttat elektronokat oxigén molekulákhoz, aminek eredményeként superoxid keletkezik.
kutatási eredmények (angolul)
We have developed various models of the photosynthetic , and connected respiratory, electron transport. The models were validated by using experimental data. By using the developed model we provided new interpretation of the miss and double hit parameters of the water oxidizing complex of Photosystem II. The electron transport of Photosystem I was also characterized by modeling and experimental data in the photosynthetic partner of coral symbiosis, the Symbiodinium dinoflagellate alga. We have discovered new alternative electron transport pathways in the cyanobacterium Synechocystis 6803. One of these novel pathways mediates electron transport from H2S to the plastoquinone pool via a newly identified type-I sulfide-quinone reductase enzyme. In the other new pathways chloramphenicol, a compound often used as protein synthesis inhibitors, mediates electrons from the acceptor side of Photosystem II to molecular oxygen, resulting in the production of superoxide.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=110960
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Csaba I. Nagy, Imre Vass, Gábor Rákhely, István Zoltán Vass, András Tóth, Ágnes Duzs, Loredana Peca, Jerzy Kruk, Péter B. Kós: Coregulated Genes Link Sulfide:Quinone Oxidoreductase and Arsenic Metabolism in Synechocystis sp. Strain PCC6803, Journal of Bacteriology, 2014
Ateeq Ur Rehman, Sandeesha Kodru and Imre Vass: Chloramphenicol Mediates Superoxide Production in Photosystem II and Enhances Its Photodamage in Isolated Membrane Particles, Frontiers in Plant Science, 2016
Imre Vass, László Sass, Zsuzsanna Deák: In silico modelling of photosynthetic electron transport, Abstract book of the 1st Solar Fuel Conference, Uppsala, 2015, April 26-May 1, 2015
IMRE VASS, LÁSZLÓ SASS, ZSUZSANNA DEÁK: In silico photosynthetic electron transport, Abstract book of: Phototech-2015 Towards a photosynthesis-biobased economy, 2015
Luca Bersanini, Yagut Allahverdiyeva, Natalia Battchikova, Steffen Heinz, Maija Lespinasse, Essi Ruohisto, Henna Mustila, Jörg Nickelsen, Imre Vass, Eva-Mari Aro: Dissecting the Photoprotective Mechanism Encoded by the flv4-2 Operon: a Distinct Contribution of Sll0218 in Photosystem II Stabilization, Plant, Cell and Environment, 2017
Szabó, M., Larkum, A.W.D., Suggett, D.J., Vass, I., Sass, L., Osmond, B., Zavafer, Al., Ralph, P.J, Chow, W.S.: Non-intrusive assessment of photosystem II and photosystem I in whole coral tissues, Frontiers in Marine Science, 4, Art. 269, doi: 10.3389, 2017
Vass, I., Sass, L.: Kinetic modelling of photosynthetic electron transport., Gordon Research Conference on Photosynthesis, Sunday River, USA, July 16-21, 2017., 2017




vissza »