Полимер ускорил фотосинтез водорослей и цветка

Китайские ученые ускорили фотосинтез зеленой водоросли Chlorella pyrenoidosa и высшего растения Arabidopsis thaliana с помощью светособирающего полимера. Полимер повышал их активность фотосинтетических систем за счет электростатического и гидрофобного связывания со стенками фотосинтезирующих клеток. Концентрации выделяющихся в процессе роста водорослей кислорода, АТФ и НАДФН, а также активность фермента рубиско увеличились на 120, 97, 76 и 57 процентов соответственно. А цветок, который поливали водным раствором полимера, зацвел на неделю раньше. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Преобразование солнечного света в альтернативные формы энергии могло бы решить проблему потребления невозобновляемых ресурсов топлива. С помощью солнечного света фотосинтез помогает зеленым растениям, водорослям и цианобактериям связывать углекислый газ и воду для получения углеводов и выделять кислород. Фотосинтезирующие водоросли могут оказаться пригодными в качестве источников биотоплива. За счет быстрого метаболизма эти «микроскопичские фабрики вещества» эффективно синтезируют липиды, которые можно экстрагировать и использовать в качестве биотоплива. Однако для коммерциализации этой идеи эффективность перевода как водорослями, так и растениями солнечной энергии в биотопливо мала.

Синь Чжоу (Xin Zhou) с коллегами из Университета Китайской академии наук улучшили фотосинтез зеленой водоросли Chlorella pyrenoidosa и высшего растения Arabidopsis thaliana с помощью светособирающего полимера поли(бор-дипиррометен-со-флуорина). Водоросли выращивали в среде с водорастворимым полимером в разных концентрациях, а растение поливали водным раствором полимера. По предположениям авторов, электростатические и гидрофобные взаимодействия должны приводить к связыванию катионных групп этого полимера с отрицательно заряженной поверхностью клетки. Такое связывание повышает активность фотосистем в организме и, следовательно, эффективность фотосинтеза в целом.

Рост культур отслеживали по изменению поглощения раствора с водорослями зеленого света и сухого веса клеток. Эффективность фотосинтеза исследователи оценивали по скорости образования выделяемых в результате фотореакций кислорода, АТФ и НАДФН, а также активности фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы (рубиско).

Методами микроскопии авторы подтвердили связывание молекул полимера с водорослями. Оказалось, что положительные заряды катионных боковых групп почти не нейтрализовали отрицательно заряженную поверхность клеток, а встраивались в клеточную стенку с помощью гидрофобных взаимодействий. 

Оптимальная концентрация полимера, при которой наблюдали быстрый рост водорослей, — десять микромоль на литр. По сравнению с контрольным опытом C. pyrenoidosa достигла плато сухого веса на два дня раньше: скорость роста увеличилась на 110 процентов. Концентрации выделяющихся в процессе фотореакций кислорода, АТФ и НАДФН были значительно выше (на 120, 97 и 76 процентов, соответственно) у культур, которые росли в растворе полимера, а активность фермента рубиско увеличилась в полтора раза.

Водорастворимый полимер всасывался корнями цветка A. thaliana из раствора, которым его поливали, что поспособствовало ускорению роста и цветения на неделю раньше.

По словам авторов, благодаря хорошей способности поглощать зеленый свет, растворимости в воде и биосовместимости подобные синтетические полимеры потенциально пригодны для применения в производстве биотоплива, а также развития энергетики и экологии.

Три года назад американские ученые во время изучения влияния потепления на жизнедеятельность растений обнаружили, что повышение температуры также способствует ускорению фотосинтеза. Процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей довольно сложный, и отследить его механизмы трудно. Этой весной американские и итальянские ученые экспериментально подтвердили один из путей перераспределения энергии при фотосинтезе.

Алина Кротова