Биологи выяснили, как водоросли поглощают фосфор после вынужденного голодания
Биологи РУДН изучили, как микроводоросли поглощают фосфор после периода дефицита, и как меняются скорость деления клеток и производство «внутренних резервов» фосфора в виде гранул полифосфата. Результаты могут помочь в разработке биотехнологических методов очистки сточных вод от фосфорных удобрений. Исследование опубликовано в журнале Algal Research.
Многие микроводоросли, способные накапливать фосфор, могут использоваться как удобрения — они способны извлекать питательные вещества из навоза и сточных вод, возвращая их в цикл. Поэтому их рассматривают как перспективный агент для систем биологической очистки загрязнений, где сейчас в основном используют бактерии. Однако процессы усвоения фосфора водорослями до сих пор были слабо изучены.
Алексей Соловченко, заведующий лабораторией Агробиотехнологического департамента РУДН, исследовал накопление фосфора в клетках трёх штаммов водорослей: Chlorella vulgaris (штаммы CCALA 256 и IPPAS C-1) и Parachlorella kessleri (штамм CCALA 251).
Эксперимент с фосфорным голоданием
На первом этапе биологи вырастили культуру водорослей в среде, лишённой фосфора. Основным маркером голодания стало прекращение деления клеток. С помощью ЯМР-спектроскопии исследователи также отслеживали сокращение запасов — фосфорных соединений и гранул полифосфата в клетках.
Две фазы поглощения фосфора
На втором этапе биологи добавили неорганический фосфор (Pi) в «голодающие» культуры и зафиксировали скорость его поглощения. Измерения показали, что существуют две стадии поглощения:
- Быстрая (один-два часа): деление клеток ещё не возобновилось, но содержание фосфора выросло до 5% от биомассы клетки. Содержание гранул полифосфата начинает расти сразу после введения фосфора в среду и достигает пика через шесть часов.
- Медленная (два-четыре часа): в конце быстрой стадии деление клеток возобновляется, но скорость поглощения фосфора снижается примерно в 10 раз. Содержание гранул полифосфата в этой фазе остаётся на том же уровне, но начинает расти, когда деление клеток замедляется и достигает стадии плато.
Таким образом, интенсивное образование гранул происходит после прекращения «голодания», когда клетки создают свои резервы, и почти останавливается при возобновлении деления клеток, так как фосфор тратится на «строительство».
Структура гранул и генетический механизм
Биологи проанализировали структуру гранул с помощью рентгеновской спектроскопии и ЯМР. Оказалось, что она напоминает многожильный кабель — нити полифосфата, объединённые в модули, уложенные рядом друг с другом.
Ранее было известно, что за «укладку» гранул полифосфата в дрожжах отвечает белок VTC. Алексей Соловченко и его коллеги изучили экспрессию генов микроводорослей и обнаружили, что повышенная экспрессия одного из генов, похожего на гены VTC-белков, наблюдается в момент интенсивного синтеза гранул полифосфата в клетках водорослей. Это означает, что VTC-подобные белки участвуют в биосинтезе гранул и у зелёных микроводорослей.
Полученные данные о поглощении фосфора помогут в создании биоинженерных штаммов водорослей, которые можно будет использовать для очистки сточных вод от фосфорных загрязнений или для производства удобрений.