témavezető: Maróti Gergely
helyszín (magyar oldal): MTA SzBK, Biokémiai Intézet helyszín rövidítés: SzBK
A kutatási téma leírása:
Projekt Összefoglaló
A zöldalgák rendkívül diverz metabolikus potenciállal bírnak, és felhasználásuk is sokrétű (pl. élelmiszeripar, biomassza alapú energiatermelés, szennyvíztisztítás). A zöldalgák a természetben minden esetben komplex közösségekben élnek, laboratóriumban is komoly kihívást jelent az axénikus alga kultúrák fenntartása. A tervezett PhD projektben speciális alga-baktérium közösségek vizsgálatát tervezzük, elsősorban az algák biohidrogéntermelő tulajdonságait szem előtt tartva. Molekuláris, genomikai módszerekkel kívánjuk feltárni az alga-baktérium interakciók metabolikus hátterét, természetes és mesterséges bakteriális partnerek hatását kívánjuk vizsgálni Chlamydomonas, Scenedesmus és Chlorella zöldalga törzsek biohidrogén termelésére. Transzkriptomikai, metatranszkriptomikai módszerekkel kívánjuk vizsgálni a fajok közötti interakciók szintjét, analitikai módszerekkel pedig azon molekulákat kívánjuk meghatározni, amelyek alapvető szerepet játszanak a szimbiotikus funkciók kialakításában.
Irodalmi háttér
A zöldalgák közül egyes Chlamydomonas, Scenedesmus és Chlorella fajokban megfelelő környezeti hatásokra bizonyítottan FeFe hidrogenázok aktiválódnak. A FeFe hidrogenázok jó hatékonysággal, megközelítőleg 10%-os konverzióval, képesek a biohidrogén előállításra. Viszont jellemző rájuk az oxigénérzékenység, amely a direkt fotolízis útján történő folyamatos hidrogéntermelésnek komoly gátat szab. Erre kínál megoldást az indirekt fotolízis alkalmazása, melynek során először a fényből nyert energia elraktározódik, majd a tartalék tápanyagok lebontásával felhasználódik. Mindez lehetővé teszi az oxigén és hidrogéntermelés szakaszainak szétválasztását időben, és lehetőséget nyújt arra, hogy a tartalék tápanyagok lebontása során keletkező többlet elektronoktól a sejt a hidrogenázok által termelt hidrogén útján szabaduljon meg. Az indirekt fotolízis egyik leginkább ismert példája a kénmegvonáson alapuló hidrogéntermelés. A kénmegvonás során a zöldalga sejtek először tápanyagot halmoznak fel, majd a kénhiány hatására fehérje tartalékaik lebontásába kezdenek a túlélésük érdekében. Ez a II. fotokémiai rendszer (PSII) aktív D1-es fehérje számának csökkenésével jár, amely idővel ellehetetleníti a további oxigéntermelést. A csökkent oxigéntermelés és a fennmaradt sejtlégzés fordított aránya lehetővé teszi a zárt kultúra oxigénszintjének lecsökkenését, ezáltal elősegítve a hidrogenázok aktiválódását. A módszer hátránya, hogy először fel kell növeszteni az alga sejtkultúrát, majd a hidrogéntermeléshez ki kell cserélni a tápoldatot kénmentes tápoldatra. Ez a jövőbeli ipari alkalmazást tekintve komoly hátrányt jelent, mivel ez sok időt, többlet alapanyagot és energiát igényel. A hidrogéntermelő folyamat önmagában 5 nap után leáll, a meghosszabbított, de alacsonyabb hatásfokú termelés csak a kén kis mennyiségű újraadagolásával lehetséges. Ugyanakkor szintén jelentős időt vesz igénybe, amíg az oldat anaerobbá válik és megindul a hidrogéntermelés. Emellett a tápanyag-stressz hatására a sejtek fokozatosan elpusztulnak és az élő sejtszám fokozatosan lecsökken.
Jelenlegi Kutatások
A Chlamydomonas sp. 549 algatörzs növesztése és fenntartása során több különböző bakteriális kontaminációt azonosítottunk az alga mellett. A természetes bakteriális partnereket egymástól elválasztottuk, majd azonosítottuk: Rhodococcus, Brevundimonas és Leifsonia nemzetségekbe tarozó baktériumokat azonosítottunk, mint természetes alga partnereket. Az azonosított baktérium törzseket jellemeztük a növekedési sebességük és az alga biomassza- és hidrogéntermelést elősegítő képességük alapján. A három természetes baktérium partner közül a Rhodococcus partnert találtuk a leginkább megfelelőnek a vizsgálataink elvégzéséhez. A természetes konzorciumok közül a Rhodococcus – Chlamydomonas kombináció termelte a legtöbb hidrogént. A Chlamydomonas sp. 549 hidrogéntermelésének sajátosságait összehasonlítottuk a hidrogéntermelés modellorganizmusaként széles körben elterjedt Ch. reinhardtii cc124 algatörzzsel. A két algatörzs összehasonlítása mellett megvizsgáltuk a tiszta alga és kevert alga-baktérium kultúrák hidrogéntermelését teljes (TAP) és az alga-alapú hidrogéntermelés viszonyítási alapját képező kénmegvonásos módszer kénmentes (TAP-S) tápoldatában. Jelentős különbségeket fedeztünk fel a különböző algatörzsek oxigénfogyasztásának intenzitásában, a hidrogéntermelés indulási idejében és időtartamában. A fényen inkubált kénmegvont axénikus Ch. reinhardtii cc124 kultúrákban a teljes anaerobicitás eléréséhez 96 órára volt szükség. Ezzel szemben a baktériumot is tartalmazó kevert kultúrák légterében az oxigénszint 2-4 óra alatta csökkent olyan alacsony szintre, amely már lehetővé tette az alga hidrogenázainak működését.
A fotoszintetikus rendszer kulcsszerepet játszik a fényen történő hidrogéntermelésben. Ennek vizsgálatára klorofill fluoreszcencia méréseket végeztünk Chlamydomonas sp. 549-en. A kevert alga-baktérium kultúrákban megfigyeltük, hogy a plasztokinon molekulák nagy része redukált állapotba került.Adataink azt mutatják, hogy a TAP tápoldatban inkubált alga-baktérium mintákban a Chlamydomonas sp. 549 PSII-je intakt és teljesen aktív maradt. Ez teljesen ellentétben áll a kénmegvonás során megfigyelt redukált vagy inaktív állapotban lévő PSII állapottal. Ezek alapján az általunk alkalmazott hidrogéntermelési módszernek nem előfeltétele a PSII működésének gátlása, viszont mindkét módszer képes javítani a másik hidrogéntermelési hatékonyságán.
Célok
1. A baktériummal kevert és tiszta algakultúrák hidrogéntermelésének tanulmányozása sötétben és fényen, a különböző hidrogéntermelési módszerek kombinációban történő alkalmazása.
2. Az algatörzsek fotoszintetikus rendszerének vizsgálata, a modell algák hidrogéntermelési útvonalainak vizsgálata (direkt fotolízis, indirket fotolízis, fermentáció).
3. Az alga és baktérium partnerek kölcsönhatásának molekuláris szintű vizsgálata (transzkriptomikai, metatranszkriptomikai módszerekkel, analitikai mérésekkel).
Módszerek
Algák és baktériumok tenyésztése
Gáz kormatográfiás mérések, analitikai mérések Ga
Fotoszintetikus aktivitás vizsgálata
Molekuláris biológiai módszerek (DNS manipuláció, fehérjeanalízis, tisztítás, szekvenálás-alapú transzkriptom analízis, stb.)
Ajánlott irodalom
Beer L. L. et al. Engineering algae for biohydrogen and biofuel production. Curr. Op. Biotech. 20, 264-271. (2009).
Doebbe A. et al. The interplay of proton, electron, and metabolite supply for photosynthetic H2 production in Ch. reinhardtii. J. Biol.Chem. 285, 30247-30260. (2010).
Forestier M. et al. Expression of two [Fe]‐hydrogenases in Ch. reinhardtii under anaerobic conditions. European J. Biochem. 270, 2750-2758. (2003).
Ghirardi M. L. et al. Hydrogenases and Hydrogen Photoproduction in Oxygenic Photosynthetic Organisms. Annu. Rev. Plant Biol., 58, 71-91. (2007).
Happe T. et al. Biological activation of hydrogen. Nature, 385, 126-126. (1997).
Kovács K. L. et al. A novel approach for biohydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy, 31, 1460-1468. (2006).
Kruse O. et al. Improved photobiological H2 production in engineered green algal cells. J. Biol.Chem.280, 34170-34177. (2005).
Melis A. Photosynthetic H2 metabolism in Ch. reinhardtii (unicellular green algae). Planta, 226, 1075-1086. (2007).
Posewitz M. C. et al. Discovery of two novel radical S-adenosylmethionine proteins required for the assembly of an active [Fe] hydrogenase. J. Biol. Chem. 279, 25711-25720. (2004).
Winkler M. et al. Isolation and molecular characterization of the [Fe]-hydrogenase from the unicellular green alga Chlorella fusca. BBA-Gene Structure and Expression, 1576, 330-334. (2002).
Wu S. et al. Increased hydrogen production in co-culture of Ch. reinhardtii and Bradyrhizobium japonicum. Biores.Tech. 123, 184-188. (2012).
A LABORRÓL
Válogatott közlemények:
Boboescu I. Z. et al. Revealing the factors influencing a fermentative biohydrogen production process using industrial wastewater as fermentation substrate. Biotech. Biofuels, 7:139, doi: 10.1186/s13068-014-0139-1. (2014)
Lakatos G. et al. Bacterial symbionts enhance photo-fermentative hydrogen evolution of Chlamydomonas algae. Green Chemistry 16 (11), 4716 - 4727. (2014)
Maróti G. and Kondorosi É. Nitrogen-fixing Rhizobium-legume symbiosis: Are polyploidy and host peptide-governed symbiont differentiation general principles of endosymbiosis? Front. Microbiol. doi: 10.3389/fmicb.2014.00326. (2014)
Farkas A. et al. The Medicago truncatula symbiotic peptide NCR247 contributes to bacteroid differentiation through multiple mechanisms. PNAS 111:5183-88. (2014)
Pap B. et al. Temperature-dependent transformation of biogas-producing microbial communities points to the increased importance of hydrogenotrophic methanogenesis under thermophilic operation. Biores. Technol. doi: 10.1016/j.biortech.2014.11.021. (2014)
Válogatott pályázati támogatások:
SYMBIOTICS (ERC Advanced Grant to Éva Kondorosi), ERC, 2011-2016
ALGOLABH: Alga alapú hidrogéntermelő rendszer létrehozása, NKTH, 2010-2013
BIOSIM: Szimultán hidrogéntermelés és szennyvíztisztítás mikrobiális közösségek alkalmazásával, UEFISCDI (Románia), 2012-2015
Legutóbbi hallgatók a befogadó laborban:
Boboescu Iulian, PhD hallgató, 2011-2014, Kombinált biológiai hidrogéntermelés és szennyvíztisztítás
Lakatos Gergely, PhD hallgató, 2011-2015, Alga-baktérium közösség alapú hidrogéntermelés
Nagy Ildikó, PhD hallgató, 2011- Hidrogéntermelés molekuláris háttere fotoszintetikus baktériumokban
Dorogházi Bea, BSc, 2013-2015, Újgenerációs alga-alapú biohidrogéntermelési módszer fejlesztése
ajánlott nyelvtudás (magyar oldal): angol felvehető hallgatók száma: 1
Jelentkezési határidő: 2015-10-13
2024. IV. 17. ODT ülés Az ODT következő ülésére 2024. június 14-én, pénteken 10.00 órakor kerül sor a Semmelweis Egyetem Szenátusi termében (Bp. Üllői út 26. I. emelet).
Bejelentkezés
