Новый подход. Как стресс влияет на пигментацию водорослей, выясняли ученые

Ученые МГУ предложили новый подход для неинвазивного исследования у растений каротиногенеза, вызванного стрессом. Эксперимент проводился на микроводорослях Bracteacoccus aggregatus. Для него исследователи совместили рамановскую микроспектрометрию и микроскопию, визуализирующую время жизни флуоресценции. Корректность полученных данных была проверена при помощи трансмиссионной электронной микроскопии. 

Такая методика позволила изучить биохимические и структурные перестройки в этих клетках практически в режиме реального времени. Результаты работы опубликованы в журнале Protoplasma.

Каротиноиды, получаемые из растений, используются в самых разных сферах. Их применяют в качестве биодобавок, безопасных красителей в пищевой и косметической промышленностях, а также при производстве лекарств. Каротиноиды – пигменты, представленные в желтых, оранжевых и красных оттенках. Эти соединения необходимы для защиты от окислительного стресса, избыточного освещения. Они также участвуют в фотосинтезе и придают растениям яркие цвета, которые привлекут насекомых-опылителей.

Существуют микроводоросли, которые способны накапливать очень высокое количество каротиноидов (до 5% от веса сухой биомассы). Массовый синтез каротиноидов – каротиногенез – запускается, если клетки подвержены стрессовым факторам. Процесс сопровождается заметными перестройками в процессах обмена веществ и строении клеток микроводоросли. Исследователи могут определить, идет ли сейчас каротиногенез, по характерным признакам: изменению окраски клеток, замедлению деления клетки, а также снижению количества другого пигмента – хлорофилла.

Визуализация каротиноидов в клетке во время каротиногенеза, когда она превращается из зелёной (левый столбец) в красную (правый столбец) под действием азотного голодания. // Алексей Соловченко, биологический факультет МГУ

Стоит отметить, что основной способ получения каротиноидов в промышленности – химический синтез. Это связано с тем, что биотехнологическое получение из микроводорослей дорого и экономически оправдано только для производства ценных биодобавок и лекарств. Для этого необходимо подробнее изучить каротиногенез, в частности, процессы его транспорта и распределения в клетках.

В таких исследованиях используют различные подходы. Их недостаток заключается в их инвазивности – ученым для получения данных приходится нарушить целостность структур микроводорослей. Это не только медленно, но и приводит к менее точным результатам. Коллектив исследователей с кафедр биофизики и биоинженерии биологического факультета МГУ, а также ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» предложил иной способ для таких работ.

Ученые использовали комбинацию других существующих методов, таких как рамановская спектроскопия, микроскопия, визуализирующая время жизни флуоресценции (одна из разновидностей флуоресцентной микроскопии, FLIM) и трансмиссионную электронную микроскопию (ТЭМ). Рамановская спектроскопия позволяет проверить в клетках наличие каротиноидов. FLIM применяется для изучения взаимодействия каротиноидов с другими молекулами (например, белков) и структурами клетки. При помощи ТЭМ можно визуально наблюдать тонкую структуру клеток изучаемых организмов.

В качестве объекта исследования использовали микроводоросль Bracteacoccus aggregatus. Результаты экспериментов показали, что предложенная методика позволяет многое сказать о динамике синтеза различных каротиноидов и распределения их в клетках, не разрушая их. «Эталоном» для проверки этих данных послужила ТЭМ. Комбинация FLIM и рамановской спектрометрии позволяет исследовать каротиногенез практически в режиме реального времени, но при этом без артефактов из-за химической фиксации, необходимой для ТЭМ.

Методику можно использовать для исследования каротиногенеза на клеточном и субклеточном уровнях. Ценно то, что так можно получать информацию об отдельных клетках, ответы которых на стресс могут значительно различаться.

Предложенный подход проливает свет на трансформацию пигментов в клетке в ответ на действие неблагоприятных факторов-стрессоров. Понимая механизмы этих явлений, мы сможем более эффективно управлять условиями выращивания микроводорослей, а значит увеличить продуктивность и сделать натуральные каротиноиды более доступными.

• Алексей Соловченко, автор исследования, профессор кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ

Иллюстрации: МГУ