Μελέτη υπερταχειών φωτοφυσικών διεργασιών των πρωτεϊνών φουκοξανθίνης χλωροφύλλης (FCPs) που απομονώνονται από διάτομα μέσω χρονοαναλυόμενης φασματοσκοπίας λέιζερ
Authors: Πολυχρονάκη Μαρία 
Published: September 2023

Τα διάτομα είναι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί, οι οποίοι συμβάλλουν στην ελάττωση του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας και στην αύξηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου. Ο οργανικός άνθρακας που παράγουν αποτελεί τροφή για τους θαλάσσιους οργανισμούς.Η εκκίνηση της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης των διατόμων πραγματοποιείται μέσω των πρωτεϊνών φουκοξανθίνης χλωροφύλλης (FCPs), οι οποίες είναι υπεύθυνες για τη συλλογή της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα FCPs διαθέτουν ως χρωμοφόρα τα καροτενοειδή φουκοξανθίνη (Fx), διαδινοξανθίνη (Ddx) και διατινοξανθίνη (Dtx) και τις χλωροφύλλες τύπου a και τύπου c (Chl-a, Chl-c). Η συλλεγόμενη ακτινοβολία καταλήγει μέσω διεργασιών μεταφοράς ενέργειας στις χλωροφύλλες τύπου a και από αυτές στο κέντρο αντίδρασης, όπου πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης. Ο ρόλος της διαδινοξανθίνης και διατινοξανθίνης είναι η προστασία των FCPs από την υψηλής έντασης ηλιακή ακτινοβολία.Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν FCPs, που απομονώθηκαν από τα διάτομα Fragilariopsis sp. και Phaeodactylum tricornutum, με την τεχνική της υπερταχείας χρονοαναλυόμενης φασματοσκοπίας λέιζερ (Ultrafast Time-Resolved Laser Spectroscopy). Η συγκεκριμένη τεχνική επιτυγχάνει, με την χρήση παλμού λέιζερ, τη διέγερση των FCPs σε εξαιρετικά μικρό χρονικό διάστημα (30×10-15 s). Ο βραχύς χρόνος διαταραχής του συστήματος επιτρέπει την ανίχνευση και φασματοσκοπική παρακολούθηση υπερταχειών διεργασιών οι οποίες επιφέρουν μεταβολές στα φάσματα απορρόφησης. Πιο συγκεκριμένα, στην παρούσα μελέτη, για τη διέγερση των FCPs χρησιμοποιήθηκαν παλμοί λέιζερ, μήκους κύματος λ = 395 nm, οι οποίοι προκάλεσαν διέγερση όλων των χρωστικών που εμπεριέχονται στις πρωτεΐνες, στην ηλεκτρονιακή τους κατάσταση S2.Προκειμένου να εξετάσουμε εάν οι συνθήκες ανάπτυξης των FCPs επηρεάζουν την σύσταση και τη λειτουργία τους, τα FCPs του Fragilariopsis sp. αναπτύχθηκαν σε συνθήκες υψηλής και χαμηλής έντασης λευκού φωτός, καθώς και ερυθρού φωτός. Αντίστοιχα, τα FCPs του διατόμου Phaeodactylum tricornutum αναπτύχθηκαν σε συνθήκες χαμηλής έντασης λευκού φωτός και ερυθρού φωτός. Η ανάπτυξη των FCPs σε συνθήκες χαμηλής έντασης λευκού φωτός προσομοιάζει τις φυσιολογικές συνθήκες ανάπτυξης των διατόμων στη φύση, ενώ η ανάπτυξη σε υψηλής έντασης λευκό φώς και σε ερυθρό φώς επιλέχθηκε ως ακραία συνθήκη ανάπτυξης του οργανισμού.Η μελέτη των φωτοφυσικών διεργασιών δυο ειδών FCPs, του κλάσματος 1 και του κλάσματος 3, που απομονώθηκαν από τον οργανισμό Fragilariopsis sp. που είχε αναπτυχθεί σε χαμηλής έντασης λευκό φώς, απέδωσε διαφορετικούς μηχανισμούς λειτουργίας για τα δύο είδη. Τα FCPs του κλάσματος 3 χαρακτηρίζονται ως τυπικά FCPs, καθώς διαθέτουν ως κύριες χρωστικές την Fx, την Chl-a και την Chl-c. Η δυναμική των FCPs του κλάσματος 3 χαρακτηρίζεται από δυο χρόνους ζωής, τ = 1.9 ± 0.05 ps και τ = 61 ± 2 ps, εκ των οποίων ο πρώτος αποδίδεται στην δονητικά διεγερμένη κατάσταση S1 (hot S1) της Fx και ο δεύτερος στην κατάσταση S1 της Fx. Τα FCPs του κλάσματος 1 περιέχουν τις ενώσεις Fx, Ddx και το χλωροφυλλίδιο-a (Chlide-a). Η δυναμική των FCPs του κλάσματος 1 περιγράφεται από τρείς χρόνους ζωής, τ = 0.7 ± 0.02 ps, τ = 13 ± 0.01 ps και τ = 77 ± 20.9 ps. Ο πρώτος χρόνος ζωής αποδίδεται στα δονητικά διεγερμένα επίπεδα των καταστάσεων S1 (hot S1) της Ddx και της Fx, ο δεύτερος χρόνος οφείλεται στην κατάσταση S1 της Ddx και ο τρίτος χρόνος αποδίδεται στην μεταφορά ενέργειας από την Fx στο Chlide-a και στην κατάσταση S1 της Fx.Οι διαφορές των μηχανισμών λειτουργίας των δυο ειδών FCPs αποδίδονται στον διαφορετικό ρόλο που έχουν στο διάτομο Fragilariopsis sp. Τα FCPs του κλάσματος 1 πραγματοποιούν μεταφορά ενέργειας από την Fx στο Chlide-a, όταν διεγερθούν μέσω του παλμού άντλησης σε λ = 395 nm, ενώ τα FCPs του κλάσματος 3 δεν επιτελούν την αντίστοιχη διεργασία. Συνεπώς, εξάγεται το συμπέρασμα ότι, ενδεχομένως, τα FCPs του κλάσματος 1 συμμετέχουν στην προστασία του διατόμου από ακτινοβολία υψηλής ενέργειας βοηθούμενα από την παρουσία της Ddx που διαθέτουν και, παράλληλα, πραγματοποιώντας διεργασίες μεταφοράς ενέργειας. Αντίθετα, ο ρόλος των FCPs του κλάσματος 3 δεν ήταν δυνατό να αποσαφηνιστεί στην παρούσα εργασία, καθώς δεν συλλέχθηκαν επαρκείς πληροφορίες.Τα FCPs του κλάσματος 1, που απομονώθηκαν από το διάτομο Phaeodactylum tricornutum και αναπτύχθηκαν στις ίδιες συνθήκες, παρουσίασαν παρόμοιο μηχανισμό λειτουργίας με τα FCPs του κλάσματος 1, του οργανισμού Fragilariopsis sp. Από το γεγονός αυτό, συμπεραίνουμε ότι υπηρετούν τον αντίστοιχο προστατευτικό ρόλο στο διάτομο, καθώς και ότι λειτουργία των FCPs είναι ίδια και ανεξάρτητη του οργανισμού προέλευσης.Η χρήση λευκού φωτός υψηλής έντασης για την ανάπτυξη του διατόμου Fragilariopsis sp. μετέβαλε τη σύσταση των χρωστικών των FCPs του κλάσματος 1 και του κλάσματος 3. Τα FCPs του κλάσματος 1 περιείχαν τις χρωστικές Fx, Ddx, Chlide-a και Dtx, ενώ τα FCPs του κλάσματος 3 διέθεταν την Fx, την Chl-a, την Chl-c,το Chlide-a και το Ddx. Η μελέτη των φωτοφυσικών διεργασιών των τροποποιημένων FCPs έδειξε ότι οι αλλαγές στην σύσταση δεν επηρεάζουν την λειτουργία των FCPs. Η ανάπτυξη των διατόμων Fragilariopsis sp. και Phaeodactylum tricornutum σε ερυθρό φως δεν μετέβαλε τη σύσταση των FCPs του κλάσματος 1, που απομονώθηκαν από τα δυο διατόμα και δεν επηρέασε το μηχανισμό λειτουργίας τους. Αντίθετα, η σύσταση των FCPs του κλάσματος 3, που απομονώθηκαν από το διάτομο Fragilariopsis sp., διαφοροποιήθηκε με την εμφάνιση του Chlide-a. Η παρουσία του Chlide-a, ωστόσο, δεν επηρέασε τον μηχανισμό λειτουργίας των FCPs.Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης συντέλεσαν στην εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με το ρόλο των δυο ειδών FCPs, που απομονώθηκαν από τον οργανισμό Fragilariopsis sp. Επιπλέον, λήφθηκαν πληροφορίες σχετικά με την συνεισφορά δυο παραγόντων στην λειτουργία των FCPs, του οργανισμού προέλευσης και των συνθηκών του φωτός ανάπτυξης. Οι πληροφορίες που λήφθηκαν απαιτούν περαιτέρω διερεύνηση με, ταυτόχρονη, βελτιστοποίηση των τεχνικών για την συλλογή των δεδομένων. Τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την παρούσα μελέτη δύνανται να συνεισφέρουν στην ανάπτυξη του τομέα της βιοτεχνολογίας και της κατασκευής φωτοβολταικών συστημάτων, καθώς τα διάτομα και τα FCPs βρίσκουν εφαρμογή στους συγκεκριμένους τομείς έρευνας.