Malliorganismissa Chlamydomonas reinhardtii fotosynteesi ja aerobinen hengitys tapahtuu vastaavasti kloroplasteissa ja mitokondrioissa, kun taas anaerobinen käyminen voi tapahtua itsenäisesti sytoplasmassa, mitokondrioissa ja kloroplasteissa. Se, miten nämä kolme perusenergian aineenvaihduntaprosessia tapahtuvat harmoniassa ja järjestyksessä samassa solussa, on tieteellinen kysymys, joka ansaitsee syvemmän pohdinnan. Tällä hetkellä näiden kolmen vuorovaikutuksen ympärillä on suhteellisen vähän tutkimusta, eikä toiminnallisen kytkennän mekanismi ole vielä selvä.
Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että fotosynteettiset organismit keräävät vähitellen protoneja pimeässä käsittelyssä, mikä johtaa kloroplastin kaltaisen vesikkelin luumenin happamoittamiseen ja siten fotosynteesin estymiseen, mikä saattaa liittyä kloroplastien hengitykseen tai ATP-hydrolyysiin. Aiempien kystoidiontelon happamoitumista koskevien tutkimusten perusteella Tian Lijinin tutkimusryhmä Kiinan tiedeakatemian kasvitieteen instituutissa oletti, että fermentaatioprosessin aikana syntyvä heikko happo on saattanut estää fotosynteesiä. Tämän hypoteesin testaamiseksi tutkimuksessa integroitiin biologisia, fysikaalisia ja kemiallisia menetelmiä ja havaittiin, että heikkojen happojen lisääminen pimeissä olosuhteissa voi aiheuttaa kystaontelon happamoitumista kloroplastin hengitysmutanteissa ptox2, nda2 ja ATP-hydrolyysimutantissa FUD50, joka sulki pois väitteen, että kystaontelon happamoituminen pimeässä johtui kloroplastin hengityksestä ja vastaavasti ATP-hydrolyysistä. Sillä välin havaittiin, että kystaontelon happamoitumisaste korreloi positiivisesti anaerobisesti metaboloituneiden heikkojen happojen kertymisen kanssa, kun taas happamoitumista ei havaittu kokeissa, joissa käytettiin viherlevää NIES-2499, joka on ei- heikkojen happojen tuottaja käymisaineenvaihdunnan aikana samoissa käsittelyolosuhteissa. Tämä viittaa siihen, että fermentaation tuottama heikko hapan metaboliitti on kystoidiontelon happamoitumisen aiheuttaja. Tutkimus osoitti myös, että tämä metaboliittien takaisinkytkentämekanismi on olemassa eri fotosynteettisissä organismilajeissa. Lisäksi, perustuen kalvon puoliläpäisevyyteen pienille molekyyleille, tutkimuksessa ehdotettiin "ioniloukku" -mallia, eli eksogeenisellä additio- tai anaerobisella fermentaatiolla tuotetut heikot happomolekyylit voivat ylittää lipidikaksoiskerroksen ja lopulta päästä kystoidiseen onteloon. mutta ionisoidut ionit eivät pääse vapaasti läpäisemään kalvoa, ja kystoidisen luumenin pH-puskurointikyky on alhaisempi, mikä johtaa protonien kertymiseen onteloon ja happamoitumiseen. ja näin tapahtuu happamoitumista.
Tässä tutkimuksessa selvitetään uutta mekanismia, jolla anaerobinen käyminen vaikuttaa fotosynteesiin ja hengitykseen fotosynteettisissä organismeissa. Tällä on suuri merkitys fotosynteesin, aerobisen hengityksen ja anaerobisen hengityksen välisen kemiallisen yhteyden selvittämisessä sekä fotosynteettisten organismien fysiologisten perusprosessien tutkimisessa. kasvien kasvun ja hiilidioksidin sitomiskyvyn optimoimiseksi.
Aiheeseen liittyvät tutkimustulokset julkaistiin verkossa Nature Communicationsissa. Tutkimukseen osallistuivat tutkijat Amsterdamin vapaasta yliopistosta Alankomaista, Liègen yliopistosta Belgiasta ja CNRS:stä Ranskasta. Tutkimusta tukivat Kiinan kansallinen tutkimus- ja kehitysohjelma, Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö ja Kiinan tiedeakatemian strateginen pilottihanke.
Chlamydomonas reinhardtii -bakteerin anaerobisen fermentaation metabolinen reitti ja "ioniloukun" toimiva malli
