В моделния организъм Chlamydomonas reinhardtii фотосинтезата и аеробното дишане се появяват съответно в хлоропласти и митохондрии, докато анаеробната ферментация може да се случи независимо в цитоплазмата, митохондриите и хлоропластите. Как тези три основни процеса на енергиен метаболизъм протичат в хармония и ред в една и съща клетка е научен въпрос, който заслужава по-задълбочено разглеждане. Понастоящем има относително малко изследвания около взаимодействията между трите и механизмът на функционално свързване все още не е ясен.
Предишни проучвания показват, че фотосинтезиращите организми постепенно натрупват протони при третиране на тъмно, което води до подкисляване на лумена на хлоропластоподобните везикули и по този начин инхибиране на фотосинтезата, което може да е свързано с дишането на хлоропласта или хидролизата на АТФ. Въз основа на предишни проучвания за подкисляването на цистоидния лумен, изследователската група на Tian Lijin в Института по ботаника, Китайската академия на науките, предположи, че слабата киселина, произведена по време на процеса на ферментация, може да е инхибирала фотосинтезата. За да се тества тази хипотеза, изследването интегрира биологични, физични и химични методи и установи, че добавянето на слаби киселини при тъмни условия може да причини подкисляване на лумена на кистата в мутантите за дишане на хлоропласти ptox2, nda2 и хидролизния АТФ мутант FUD50, който изключи твърдението, че подкисляването на лумена на кистата на тъмно е причинено съответно от дишане на хлоропласти и хидролиза на АТФ. Междувременно беше установено, че степента на подкисляване в лумена на кистата корелира положително с общото натрупване на анаеробно метаболизирани слаби киселини, докато не беше открито подкисляване в експерименти с използване на зелено водорасло NIES-2499, което е не- производител на слаби киселини по време на метаболизма на ферментацията, при същите условия на обработка. Това предполага, че слабият киселинен метаболит, произведен чрез ферментация, е причинителят на подкисляването на цистоидния лумен. Проучването също така показа, че този механизъм за регулиране на обратната връзка на метаболитите съществува в различни видове фотосинтезиращи организми. Освен това, въз основа на полупропускливостта на мембраната за малки молекули, изследването предлага модела на "йонен капан", т.е. молекулите на слаба киселина, произведени чрез екзогенно добавяне или анаеробна ферментация, могат да преминат през липидния двоен слой и накрая да навлязат в цистоидния лумен, но йонизираните йони не са в състояние свободно да преминават през мембраната и цистоидният лумен има по-нисък буферен капацитет на рН, което води до натрупване на протони в лумена и подкисляване. и по този начин се получава подкисляване.
Това изследване изяснява нов механизъм, чрез който анаеробната ферментация засяга фотосинтезата и дишането във фотосинтетичните организми, което е от голямо значение за изследване на химическото свързване между фотосинтезата, аеробното дишане и анаеробното дишане, както и за изследване на основните физиологични процеси на фотосинтезиращите организми. като оптимизиране на растежа и капацитета на растенията за улавяне на въглерод.
Резултатите от свързаните изследвания бяха публикувани онлайн в Nature Communications. Изследователи от Свободния университет в Амстердам, Холандия, Университета в Лиеж, Белгия, и CNRS, Франция, участваха в проучването. Изследването е подкрепено от Националната ключова програма за научни изследвания и развитие на Китай, Националната природонаучна фондация на Китай и Стратегическия пилотен проект на Китайската академия на науките.
Метаболитен път на анаеробна ферментация в Chlamydomonas reinhardtii и работещ модел на "йонния капан"
