Adhæsionen af ​​encellet alge Chlamydomonas til overflader er lysafhængig

Sollys gør det muligt for grønne alger at gøre mere end blot at udføre fotosyntese. Nogle encellede alger bruger faktisk lys til at tænde og slukke for deres flagellas adhæsion til overflader – et fænomen, der først blev opdaget af fysikere ved Göttingen Max Planck Instituttet for Dynamik og Selvorganisering. Disse resultater er særligt relevante for udviklingen af ​​bioreaktorer, hvor alger fungerer som et fornybart råmateriale til fremstilling af biobrændstoffer.

I hverdagen, grønne alger har en tendens til at være dårlige nyheder. I fugtigt vejr, mikroskopiske encellede alger danner et slimet lag på havemøbler og husvægge; i varme somre, de danner et afskum på overfladen af ​​havedamme og vandbehandlingstanke. Men grønne alger kan også være gavnlige. I årevis er alger blevet dyrket i bioreaktorer, i store anlæg bestående af glasrør, at producere biobrændstoffer. Imidlertid, grønne alger har en egenskab, der gør denne proces vanskelig:brug af små hår, kendt som flageller, de klæber til overflader. I bioreaktorer, dette resulterer i, at der dannes en grøn biofilm på væggene af glasrørene. Som resultat, mindre lys trænger ind i reaktoren. Biofilmen reducerer andre alger i reaktorens evne til at udføre fotosyntese, hvilket gør bioreaktoren mindre effektiv.

Chlamydomonas klæber ikke i rødt lys

Et forskerhold ledet af Oliver Bäumchen, en fysiker ved Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen, har nu gjort en opdagelse, der kan øge effektiviteten af ​​bioreaktorer. "I forsøg med grønne alger, vi fandt ud af, at algerne er klæbrige og kun i stand til at klæbe til overflader under visse lysforhold, " siger Oliver Bäumchen.

Forskeren har i mange år været fokuseret på mikroorganismers klæbende egenskaber. Han er primært interesseret i flageller og de mekanismer, hvormed disse små hårlignende strukturer kan udøve overraskende stærke klæbekræfter. Han og hans stab udtænkte en præcis sensor til at måle de involverede kræfter:en ultratynd glasmikropipette, der kan aspirere en enkelt grøn algecelle. Ved hjælp af mikropipetten, de måler den kraft, der skal til for at løsne en levende celle fra en overflade.

Chlamydomonas bruger forskellige proteiner til at fornemme lys

Bäumchens doktorand, Christian Kreis, fundet, at algernes vedhæftning til overflader kan styres af lys. Eksperimenterer med grønalgen Chlamydomonas, han fandt ud af, at den konsekvent kun udviste en stærk klæbekraft under hvidt lys. Under rødt lys, cellerne klæbte slet ikke til overflader. Det har længe været kendt, at mange mikroorganismer orienterer sig efter lys og, for eksempel, svømme mod en lyskilde. Imidlertid, det var ikke tidligere kendt, at grønalgens vedhæftningsmekanisme kan tændes og slukkes med lys.

Kreis undersøgte lysreaktionen nærmere og fandt ud af, at Chlamydomonas udelukkende klæber til overflader, når de udsættes for blåt lys. Algen bruger en række specielle lysfølsomme proteiner til at fornemme lyset. "Vi tror på, at lys-omskiftelig klæbeevne kan være et produkt af evolution, " siger Christian Kreis. I modsætning til marine planteplankton, disse relaterede mikroorganismer lever normalt i våd jord, hvor de ofte støder på overflader. "Hvis disse overflader udsættes for sollys, denne smarte mekanisme gør det muligt for algerne at låse sig fast på dem og begynde at udføre fotosyntese, " forklarer forskeren.

Alger med modificerede blålys-fotoreceptorer danner muligvis ikke biofilm

Dette fund giver ikke i sig selv en måde at forhindre algeaflejringer i at dannes på glasvæggene i bioreaktorer. At udsætte bioreaktorer for rødt lys kun for at slukke for adhæsion virker ikke, fordi grønne alger også kræver blåt lys til fotosyntesen. Oliver Bäumchen og Christian Kreis går derfor anderledes an. "Vi er nu gået sammen med mikrobiologer, som har stor erfaring med grønne alger, ", siger Bäumchen. "Vi planlægger at studere celler, hvori de forskellige blå-lys-fotoreceptorer er blokeret for at finde ud af, hvilke af disse fotoreceptorer, der faktisk er ansvarlige for at udløse de klæbende egenskaber." Hvis alger med modificerede blå-lys-fotoreceptorer kunne dyrkes i store mængder, vi kan måske bruge dem i bioreaktorer uden generne af biofilm, der dannes på overfladerne.

Oliver Bäumchens forskerhold har fokuseret på omskiftelig vedhæftning af grønne alger af flere grunde:"Det er generelt interessant at forstå fænomenet overfladeadhæsion. adhæsionskræfterne er enorme i forhold til cellernes størrelse, " siger Bäumchen. Han studerer også flageller, fordi deres konstruktionsprincip er næsten identisk med cilier i menneskekroppen, for eksempel i lungerne.

Christian Kreis er også optaget af måder at forhindre dannelsen af ​​algebiofilm på. Han undersøger i øjeblikket, om adhæsion kan tændes og slukkes af andre triggere end lys, for eksempel ved overflader, der bærer svage elektriske ladninger. "Biofilm er besværligt i mange applikationer, " siger forskeren. "Hvis vi kunne designe overflader på en sådan måde, at de forhindrer mikroorganismer i at klæbe til dem, det ville være en velsignelse for mange anvendelser inden for medicin, bioteknologi og kemiteknik."