Αλληλεπιδράσεις του φωτοσυνθετικού μηχανισμού των μικροφυκών με το εξωκυτταρικό περιβάλλον, το ηλεκτρικό πεδίο και το υδρογόνο
Authors: Ζερβέας Σωτήριος 
Published: November 2023

Οι αλληλεπιδράσεις της φωτοσυνθετικής διαδικασίας και γενικά του κυτταρικού μεταβολισμού των μικροφυκών με το εξωκυτταρικό υδάτινο (ανταλλαγή Η+ αλλά και e- – Κεφάλαιο Ι και ΙΙ) και αέριο περιβάλλον τους (έκθεση σε ακραίας σύστασης ατμόσφαιρες, οξυγονικές και ανοξικές – Κεφάλαιο ΙΙΙ και IV), παρουσιάζονται και αναλύονται διεξοδικά στα τέσσερα κεφάλαια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής: ΚΕΦΑΛΑΙΟ I: Η φωτοσυνθετική διαδικασία μικροφυκών και το εξωκυτταρικό περιβάλλον πρωτονίων αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η φωτοσύνθεση προκαλεί αύξηση του pH στο μέσο καλλιέργειας ως αποτέλεσμα της κυτταρικής άντλησης πρωτονίων και όχι της επίδρασης της δέσμευσης CO2. Η φωτοσυνθετική διάσπαση νερού και ο κύκλος αναγωγής/οξείδωσης της πλαστοκινόνης παρέχουν πρωτόνια στο μικροχώρο. Βιολογικές ασθενείς βάσεις, όπως οι πολυαμίνες, δρουν ως «διαπερατά ρυθμιστικά» στον μικροχώρο του θυλακοειδούς κατά τη διάρκεια της φωτοσυνθετικής διαδικασίας, μετατρέποντας το ΔpH σε Δψ. Αυτός είναι πιθανώς ο κύριος λόγος για τη συνεχή πρόσληψη πρωτονίων με γνώμονα το φως από το μέσο καλλιέργειας, μέσω του κυτοπλάσματος και του στρώματος, στον μικροχώρο, που στη συνέχεια μέσω της φωτοσυνθετικής δέσμευσης του CO2 θα καταλήξουν σε μόρια γλυκόζης. Ο ρυθμός πρόσληψης πρωτονίων και, επομένως, η ανάπτυξη μικροφυκών είναι ανάλογος με την ένταση του φωτός, τη συγκέντρωση των κυττάρων και την εξωκυτταρική συγκέντρωση πρωτονίων. Το χαμηλό pH στις καλλιέργειες μικροφυκών, χωρίς περιορισμούς φωτός και θρεπτικών συστατικών, επάγει έντονα τη φωτοσύνθεση (και την πρόσληψη πρωτονίων) και, κατά συνέπεια, την ανάπτυξη. Αντίθετα, η μιτοχονδριακή αναπνευστική διαδικασία, ελλείψει φωτοσυνθετικής δραστηριότητας, δεν διαφοροποιεί ουσιαστικά το pH της καλλιέργειας. Η εντατικοποίηση της διαδικασίας αναπνοής με εξωγενή παροχή γλυκόζης, οδηγεί σε σημαντικά μειωμένες τιμές pH στο μέσο καλλιέργειας, σχεδόν αποκλειστικά μέσω της παραγωγής πρωτονίων. Αυξημένες συγκεντρώσεις ατμοσφαιρικού CO2 διαλύονται στο νερό προκαλώντας το φαινόμενο «οξίνιση των ωκεανών» εμποδίζοντας τη διαδικασία της ασβεστοποίησης, γεγονός πολύ σημαντικό για πολλούς οργανισμούς φυτοπλαγκτού και ζωοπλαγκτού, αλλά και για τα κοράλλια. Η προτεινόμενη νέα προσέγγιση στην αλληλεπίδραση της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας μικροφυκών με τη συγκέντρωση πρωτονίων στο υδάτινο τους περιβάλλον, που είναι ανεξάρτητη από τη συγκέντρωση CO2, μπορεί να αποτελέσει το νήμα της Αριάδνης για την επίλυση στο εγγύς μέλλον κεντρικών περιβαλλοντικών προβλημάτων που σχετίζονται με την οξίνιση των ωκεανών. ΚΕΦΑΛΑΙΟ II: Με δεδομένη την παραπάνω προσέγγιση (του κεφαλαίου I) αναδείχθηκε στη συνέχεια το παρακάτω ερώτημα: Αν τα κύτταρα είναι σε θέση να παράγουν διαφορά δυναμικού μέσω της φωτοσύνθεσης, τι θα γινόταν αν παρείχαμε εμείς ηλεκτρικό ρεύμα στη φωτοσύνθεση (φωτοσυνθετική ροή ηλεκτρονίων); Η ιδέα να παρέχουμε ηλεκτρόνια τεχνητής προέλευσης (ηλεκτρικό ρεύμα) στη φωτοσυνθετική αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων έγινε πράξη με την τοποθέτηση φωτοσυνθετικών μικροφυκών σε μία ηλεκτρολυτική διάταξη ενός ηλεκτρο-φωτοβιοαντιδραστήρα [E(P)BR]. Τα αποτελέσματα μετά από σειρά πειραματικών προσεγγίσεων για την ρύθμιση της συγκέντρωσης των θρεπτικών και των κυττάρων (ρύθμιση αγωγιμότητας ηλεκτρονίων) σε σχέση με την παροχή σταθερής έντασης ηλεκτρικού ρεύματος σε καλλιέργεια μικροφυκών ανέδειξαν τη συμβατότητα διοχέτευσης ηλεκτρικού ρεύματος σε μία βιολογική αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, όπως αυτή της φωτοσυνθετικής και της αναπνευστικής διαδικασίας, επάγοντας την σημαντικά. Όχι μονό επιταχύνθηκε η φωτοσυνθετική απόδοση με την παροχή κατάλληλης έντασης ρεύματος, αλλά επίσης παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση του ρυθμού παραγωγής υδρογόνου (H2) σε επιλεγμένες συνθήκες ηλεκτρικού πεδίου, αποδεικνύοντας ότι το πρόσθετο (πέραν αυτού της ηλεκτρόλυσης) υδρογόνο είναι βιολογικής προέλευσης (βιο-υδρογόνο). Η χρήση ειδικού αντιδραστήρα E(P)BR με επιμέρους διαμερισματοποίηση της καλλιέργειας μας επιτρέπει να παρακολουθούμε την παραγωγή βιο-υδρογόνου στο ηλεκτρόδιο της ανόδου, στο ηλεκτρόδιο της καθόδου και στον χώρο μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων και μας δίνει τη δυνατότητα να συζητήσουμε για πιθανό μηχανισμό παραγωγής βιο-υδρογόνου σε ηλεκτρικό πεδίο. Συνδυάζοντας την τεχνολογία (ηλεκτρικό ρεύμα) με τη βιολογία (φωτοσυνθετική και αναπνευστική ροή ηλεκτρονίων) ανοίγεται ένα νέο πεδίο έρευνας με δύο βασικές προοπτικές. Η πρώτη, αφορά τη χρήση φωτοσυνθετικών μικροφυκών για την αύξηση της απόδοσης της ηλεκτρολυτικής διαδικασίας όσον αφορά την παραγωγή υδρογόνου (μέσω και της σημαντικής επιπρόσθετης παραγωγής βιο-υδρογόνου) καθιστώντας την ενεργειακά συμφέρουσα, και η δεύτερη, αφορά μια νέα προοπτική ταχύτατης «αναζωογόνησης» του φωτοσυνθετικού μηχανισμού αποσκοπώντας στην αύξηση της βιομάζας για τη χρήση της για μελλοντικούς βιοτεχνολογικούς σκοπούς. ΚΕΦΑΛΑΙΟ III: Η αλληλεπίδραση πρωτονίων (Κεφάλαιο Ι) και ηλεκτρονίων (Κεφάλαιο ΙΙ) με το φωτοσυνθετικό μηχανισμό των μικροφυκών σε ένα κλειστό σύστημα, ανέδειξαν εμμέσως και τον ρόλο της σύστασης των αερίων στην φωτοσύνθεση. Ως εκ τούτου, στο παρόν κεφάλαιο εξετάσαμε τη στρατηγική των μικροφυκών να ανταπεξέλθουν σε διαφορετικής σύστασης ατμόσφαιρες. Η παρούσα μελέτη εξετάζει τη στρατηγική επιβίωσης των μικροφυκών σε κλειστά συστήματα με ανοξικές ατμόσφαιρες και τη δυνατότητα δημιουργίας οξυγονικής ατμόσφαιρας μέσω της φωτοσυνθετικής διαχείρισης της ηλιακής ακτινοβολίας. Η πλήρης απουσία CO2 φαίνεται να αντιμετωπίζεται από το μικροφύκος αρχικά με τον καταβολισμό της κυτταρικής οργανικής ύλης μέσω της αναπνευστικής διαδικασίας (πιθανόν χρησιμοποιώντας NO2 αντί για O2), η οποία παράγει CO2. Αυτό το CO2 υποστηρίζει τη φωτοσυνθετική διαδικασία, η οποία παράγει O2, μέρος του οποίου χρησιμοποιείται κυρίως για τον εμπλουτισμό της ατμόσφαιρας με O2 και το υπόλοιπο για την αναπνευστική διαδικασία και την παραγωγή βιομάζας. Τα μικροφύκη έδειξαν ανοχή σε εξωγενώς παρεχόμενες ακραίες συγκεντρώσεις CO2 (1%-40%) σε ανοξική ατμόσφαιρα και εμφάνισαν σημαντικά υψηλότερη φωτοσυνθετική δραστηριότητα σε σύγκριση με αυτή των καλλιεργειών μικροφυκών που καλλιεργήθηκαν σε οξυγονική ατμόσφαιρα. Αυτή η απόκριση των μικροφυκών σε εξαιρετικά υψηλές συγκεντρώσεις CO2 υπό ανοξικές συνθήκες ενισχύει αμέσως το επίπεδο του O2 στην ατμόσφαιρα καθώς και την ανάπτυξη της καλλιέργειας χωρίς ενδείξεις καταπόνησης. Δεδομένου ότι αυτή η στρατηγική των μικροφυκών είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στη δέσμευση του CO2 σε ατμόσφαιρα πλούσια σε CO2, θα μπορούσε να βοηθήσει στην καταπολέμηση του φαινομένου του θερμοκηπίου, ενσωματώνοντας καλλιέργειες μικροφυκών σε συστήματα αποτοξικοποίησης αερίων με εξαιρετικά υψηλές συγκεντρώσεις CO2. Η ικανότητα των μικροφυκών να μετατρέπουν γρήγορα τις εχθρικές για τον άνθρωπο ατμόσφαιρες σε ατμόσφαιρες πλούσιες σε Ο2 θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον για τη συνεχή ανακύκλωση της ατμόσφαιρας ανθρώπινων εγκαταστάσεων σε άλλους πλανήτες. Επιπλέον, η αύξηση της βιομάζας των μικροφυκών υπό αυτές τις συνθήκες αποτελεί ιδανικό συνδυασμό για σημαντικές (αστρο)βιοτεχνολογικές εφαρμογές. ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV: Ως προέκταση των αποτελεσμάτων του κεφαλαίου III ήταν ο έλεγχος της επίδρασης μίας απόλυτης ατμόσφαιρας Η2 στο φωτοσυνθετικό οργανισμό. Η ιδιαιτερότητα της επίδρασης της ατμόσφαιρας Η2 στο φωτοσυνθετικό οργανισμό και κατ' επέκταση σε όλο τον κυτταρικό μεταβολισμό, μας ανάγκασε να την ελέγξουμε ξεχωριστά. Η έκθεση μικροφυκών και άλλων (μικρο)οργανισμών σε απόλυτη ατμόσφαιρα υδρογόνου (100% Η2) σταματά τόσο τη φωτοσυνθετική, όσο και την αναπνευστική διαδικασία και κατ’ επέκταση όλο τον κυτταρικό μεταβολισμό σταματώντας και την κυτταρική ανάπτυξη για το χρονικό διάστημα που επιθυμούμε, επεκτείνοντας την επιβίωση τους για μεγάλα χρονικά διαστήματα και καθιστώντας τους ταυτόχρονα ανθεκτικούς σε οποιαδήποτε μορφή καταπόνησης (στάση μεταβολισμού). Η ελάχιστη προσθήκη οξυγόνου ή αέρα επαναφέρει πλήρως (κατά 100%) σχεδόν άμεσα τον μεταβολικό ρυθμό και η ανάπτυξη των κυττάρων συνεχίζεται κανονικά από το σημείο που είχε σταματήσει. Ο μεταβολισμός είναι το άθροισμα όλων των χημικών αντιδράσεων στους οργανισμούς που συντηρούν τη ζωή. Υπάρχει μια συνεχής προσπάθεια για τον έλεγχο του μεταβολικού ρυθμού, ο οποίος συσχετίζεται με το μέγιστο δυναμικό διάρκειας ζωής και αποτελεί ένα από τα παλαιότερα επιστημονικά ερωτήματα. Στην παρούσα προσέγγιση, αναφέρουμε για πρώτη φορά την πλήρη παύση του κυτταρικού μεταβολισμού και κατά συνέπεια την κυτταρική ανάπτυξη (μεταβολική στάση) μιας σειράς οργανισμών, από μικροφύκη έως ζυμομύκητες κατά την έκθεση τους σε ατμόσφαιρα υδρογόνου 100%. Η αποκατάσταση του μεταβολισμού είναι άμεση με την ελάχιστη προσθήκη Ο2. Για την αποκρυπτογράφηση των φυσικών νόμων που διέπουν αυτό το φαινόμενο σε ατομική κλίμακα χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Διάφορα πρωτεϊνικά σύμπλοκα, που σχετίζονται τόσο με τη φωτοσυνθετική, όσο και με την αναπνευστική διαδικασία (LHCII, κυτόχρωμα c5, διπεπτίδιο αλανίνης) διερευνήθηκαν ως προς την αλληλεπίδραση με το υδρογόνο. Η έκθεση στο υδρογόνο, σε αντίθεση με το οξυγόνο, μειώνει την κινητικότητα των πρωτεϊνικών καταλοίπων υποδηλώνοντας θερμοσταθερότητα. Το όλο φαινόμενο δεν περιορίζεται μόνο στα μικροφύκη, αλλά μπορεί να επεκταθεί και σε άλλους (μικρο)οργανισμούς, αλλά και στη συντήρηση μίας σειράς φυτικών και άλλων προϊόντων (π.χ. λαχανικά, φρούτα, … κ.α.), ανοίγοντας νέους καινοτόμους δρόμους βιοτεχνολογικών εφαρμογών.