带“光开关”的藻类

2020-02-04 415藻类

阳光使绿藻不仅仅进行光合作用。一些单细胞藻类实际上利用光来开关鞭毛附着在表面的开关——带“光开关”的藻类——这是哥廷根马克斯普朗克动力学和自组织研究所的物理学家首次发现的现象。这些发现与利用藻类作为可再生原料生产生物燃料的生物反应器的开发特别相关。

在日常生活中,绿藻往往是坏消息。在潮湿的天气里,微小的单细胞藻类会在花园家具和房屋墙壁上形成一层粘稠的水层;在温暖的夏季,它们会在花园池塘和水处理池的表面形成浮渣。但绿藻也有益处。多年来,藻类一直在由玻璃管组成的大型设施的生物反应器中培育,以生产生物燃料。然而,绿藻有一种特性使这一过程变得困难:它们利用被称为鞭毛的小毛发附着在物体表面。在生物反应器中,这导致绿色生物膜在玻璃管的壁上形成。结果,进入反应堆的光变少了。生物膜降低了反应器中其他藻类进行光合作用的能力,从而降低了生物反应器的效率。

带“光开关”的藻类:衣藻在红灯时不粘住

由哥廷根马普动力学和自组织研究所的物理学家Oliver Bäumchen领导的一个研究小组,现在有了一项可以提高生物反应器效率的发现。“在对绿藻的实验中,我们发现绿藻具有粘性,只有在特定的光照条件下才能附着在物体表面,”Oliver Bäumchen说。

这位科学家多年来一直致力于研究微生物的粘附特性。他主要感兴趣的是鞭毛,以及这些微小的毛发状结构能够产生惊人的粘合力的机制。他和他的工作人员设计了一种精确的传感器来测量所涉及的力:一种超薄的玻璃微移液管,可以产生单个绿藻细胞。他们用微移液管测量从表面分离活细胞所需的力。

带“光开关”的藻类:衣藻利用多种蛋白质感知光线

Bäumchen的博士生Christian Kreis发现,藻类附着在物体表面的能力可以通过光线来控制。他对绿藻衣藻进行了实验,发现它只有在白光下才会表现出很强的粘附力。在红光照射下,细胞完全不粘附于表面。人们很早就知道,许多微生物会朝向光,例如,游向光源。然而,以前并不知道绿藻的黏附机制可以通过光来开关。

Kreis更仔细地研究了光的反应,发现当暴露在蓝光中时,衣藻只会附着在表面。这种藻类利用一些特殊的感光蛋白来感知光线。Christian Kreis说:“我们认为,可转换光线的粘附性可能是进化的产物。”与海洋浮游植物不同的是,这些相关微生物通常生活在湿润的土壤中,经常接触到表面。研究人员解释说:“如果这些表面暴露在阳光下,这种聪明的机制可以使藻类附着在表面上,并开始进行光合作用。”

带“光开关”的藻类:带有改良的蓝光感受器的藻类可能不会形成生物膜

这一发现本身并不能阻止藻类沉积在生物反应器的玻璃墙上。将生物反应器暴露在红光下,只是为了关闭附着,这是行不通的,因为绿藻也需要蓝光来进行光合作用。因此,Oliver Bäumchen和Christian Kreis采取了不同的方法。“我们现在与微生物学家合作,他们对绿藻有丰富的经验,”Bäumchen说。“我们计划研究各种蓝光光感受器被阻断的细胞,以找出这些感受器中实际上是哪一种触发了粘附特性。”如果带有改良的蓝光光感受器的藻类能够大量生长,那么我们就可以在生物反应器中使用它们,而不会在表面形成生物膜。

Oliver Bäumchen的研究小组将注意力集中在绿藻的可切换黏附上,原因如下:“了解表面黏附现象通常很有趣。毕竟,粘附力与细胞的大小有关。他还在研究鞭毛,因为它们的结构原理几乎与人体的纤毛相同,例如在肺部。

Christian Kreis也关注如何防止藻类生物膜的形成。他目前正在研究是否可以通过除光以外的其他触发器(例如携带弱电荷的表面)来打开和关闭粘附。“生物膜在很多应用中都很麻烦,”研究人员说。“如果我们能够设计出一种能够防止微生物附着在表面上的方法,那将对医学、生物技术和化学工程的许多应用大有裨益。”

引用

Max-Planck-Gesellschaft. "Algae with light switch." ScienceDaily. ScienceDaily, 29 September 2017.
www.sciencedaily.com/releases/2017/09/170929112957.htm.

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