Анализ разнонаправленных электронных потоков в микроводорослях при производстве водорода

Продуцирование водорода микроводорослями представляет собой процесс, который может быть потенциально использован для получения альтернативного топлива, его изучение представляет как теоретический, так и практический интерес. Оптимизация выхода водорода и других биотехнологических продуктов требует глубокого понимания механизмов регуляции метаболических процессов, в частности реакций переноса электронов в тилакоидной мембране и дальнейшего транспорта с фотосистемы 1 (ФС1) на фермент гидрогеназу в строме хлоропласта. Проведены сравнительные исследования по влиянию недостатка серы на ростовые, биохимические и фотосинтетические характеристики голодающей по сере культуры клеток Chlamydomonas reinhardtii в контрольном штамме и мутанте HydEF без гидрогеназной активности. Полученные данные однозначно указывают на нарушение механизма нефотохимического тушения флуоресценции в клетках мутанта, особенно на анаэробной стадии серного голодания. Вычислительные эксперименты, проведенные на разработанной вероятностной типа Монте-Карло модели процессов в фотосинтетической мембране (Antal et al., 2018), подтвердили, что форма индукционной кривой флуоресценции соответствует отсутствию системы нефотохимического тушения у мутантного вида без гидрогеназы. Методом мультиэкспоненциальной аппроксимации (МЭА) проведен анализ индукционных кривых для разных стадий голодания для клеток дикого типа и мутантов HydEF. Показано, что мутация HydEF проявляется в процессе адаптации к голоданию по сере в более интенсивном накоплении восстановленных форм пластохинона, чем в диком типе. С целью изучения роли электростатических взаимодействий в образовании комплекса были проведены вычислительные эксперименты, имитирующие взаимодействия между конечным акцептором электрон-транспортной цепи фотосинтеза ферредоксином (Фд) и ферредоксин-НАДФ+-редуктазой (ФНР) из различных фотосинтезирующих организмов, включая водородвыделяющие водоросли и циановые бактерии. Методами броуновской динамики и кластерного анализа (разработанные на кафедре пакет ProKSim и пакет GROMACS) исследовали специфичность взаимодействия Фд и ФНР из разных фотосинтезирующих организмов и разных органов высших растений. Дальнейшие исследования будут направлены на выявление специальных функций разных типов Фд в реакциях, связанных с переключением метаболизма клетки на путь выделения водорода.