Chlamydomonas reinhardtii -Chlamydomonas reinhardtii

Chlamydomonas reinhardtii
Videnskabelig klassificering
(uden rangering):	Viridiplantae
Phylum:	Chlorophyta
Klasse:	Chlorophyceae
Bestille:	Chlamydomonadales
Familie:	Chlamydomonadaceae
Slægt:	Chlamydomonas
Arter:	C. reinhardtii
Binomisk navn
Chlamydomonas reinhardtii PADang.

Chlamydomonas reinhardtii er en encellet grøn alge med en diameter påcirka 10 mikrometer , der svømmer med to flageller . Den har en cellevæg lavet af hydroxyprolin -rige glykoproteiner , en stor kopformet kloroplast , en stor pyrenoid og en øjenplet, der mærker lys.

Chlamydomonas -arter er vidt udbredt over hele verden i jord og ferskvand. Chlamydomonas reinhardtii er en særlig velstuderet biologisk modelorganisme , dels på grund af dens lette dyrkning og evnen til at manipulere dens genetik. Når den er belyst, kan C. reinhardtii vokse fotoautotrofisk, men den kan også vokse i mørket, hvis den forsynes med organisk kulstof. Kommercielt er C. reinhardtii af interesse for fremstilling af biofarmaceutiske produkter og biobrændstof samt et værdifuldt forskningsværktøj til fremstilling af brint .

Historie

Den C. reinhardtii vildtype-laboratoriestamme c137 (mt +) stammer fra et isolat lavet nær Amherst, Massachusetts , i 1945 af Gilbert M. Smith.

Artens navn er blevet stavet flere forskellige måder på grund af forskellige translitterationer af navnet fra russisk: reinhardi , reinhardii og reinhardtii refererer alle til den samme art, C. reinhardtii Dangeard.

Model organisme

Chlamydomonas bruges som en modelorganisme til forskning i grundlæggende spørgsmål inden for celle- og molekylærbiologi, såsom:

• Hvordan bevæger celler sig?
• Hvordan reagerer cellerne på lys?
• Hvordan genkender celler hinanden?
• Hvordan genererer celler regelmæssige, gentagelige flagellære bølgeformer?
• Hvordan regulerer cellerne deres proteom for at kontrollere flagellærlængden ?
• Hvordan reagerer celler på ændringer i mineralernæring? (nitrogen, svovl osv.)

Der er mange kendte mutanter af C. reinhardtii . Disse mutanter er nyttige værktøjer til at studere en række biologiske processer, herunder flagellær motilitet, fotosyntese og proteinsyntese . Da Chlamydomonas -arter normalt er haploide, ses virkningerne af mutationer med det samme uden yderligere kryds.

I 2007 blev den komplette atomgenomsekvens af C. reinhardtii offentliggjort.

Channelrhodopsin -1 og Channelrhodopsin -2, proteiner, der fungerer som lysgatede kationkanaler , blev oprindeligt isoleret fra C. reinhardtii . Disse proteiner og andre lignende bruges i stigende grad inden for optogenetik .

Mitokondriel betydning

Genomet af C. reinhardtii er signifikant for mitokondrieundersøgelser, da det er en art, hvor generne for 6 af de 13 proteiner, der er kodet for mitokondrier, findes i cellens kerne og efterlader 7 i mitokondrierne. I alle andre arter er disse gener kun til stede i mitokondrierne og kan ikke udtrykkes allotopisk. Dette er vigtigt for test og udvikling af terapier til genetiske mitokondrielle sygdomme.

Reproduktion

Vegetative celler af reinhardtii -arter er haploide med 17 små kromosomer . Under nitrogensult differentierer vegetative celler sig til haploide kønsceller. Der er to parringstyper , identiske i udseende, altså isogame , og kendt som mt (+) og mt (-) , som kan smelte sammen og danne en diploid zygote . Zygoten flagelleres ikke, og den fungerer som en sovende form for arten i jorden. I lyset undergår zygoten meiose og frigiver fire flagellerede haploide celler, der genoptager den vegetative livscyklus.

Under ideelle vækstbetingelser kan celler undertiden gennemgå to eller tre runder med mitose, før dattercellerne frigives fra den gamle cellevæg i mediet. Således kan et enkelt væksttrin resultere i 4 eller 8 datterceller pr. Modercelle.

Den cellecyklus af denne encellede grønalger kan synkroniseres ved skiftevis perioder med lys og mørke. Vækstfasen er afhængig af lys, hvorimod processer efter et punkt, der er udpeget som overgangs- eller engagementspunktet, er lysuafhængige.

Øjenpunkt

C. reinhardtii har en øjenkrop, der ligner dinoflagellaters . Øjenpletten er placeret nær cellekvator. Det består af et carotenoid -rigt granulatlag i chloroplasten, der fungerer som en lysreflektor. Hovedfunktionen for øjnene er fototaxis , som består af bevægelsen (med flagellen ) relateret til en lysstimulering. Fototaxien er afgørende for algen og muliggør lokalisering af miljøet med optimale lysforhold for fotosyntese. Phototaxis kan være positiv eller negativ afhængig af lysintensiteten. Den fototaktiske vej består af fire trin, der fører til en ændring i slagbalancen mellem de to flageller (cis-flagellum, der er den, der er tættest på øjnene, og trans-flagellum, som er den længst væk fra øjens plet).

Genetik

Algernes tiltrækningskraft som modelorganisme er for nylig steget med frigivelsen af ​​flere genomiske ressourcer til det offentlige område. Chlre3 -udkastet til Chlamydomonas -atomgenomsekvensen udarbejdet af Joint Genome Institute of the US Dept of Energy omfatter 1557 stilladser på i alt 120 Mb. Cirka halvdelen af ​​genomet er indeholdt i 24 stilladser med en længde på mindst 1,6 Mb. Den nuværende samling af atomgenomet er tilgængelig online.

Det mitokondrielle genom på ~ 15,8 Kb (databasetiltrædelse: NC_001638) er tilgængeligt online i NCBI -databasen. Hele ~ 203,8 Kb chloroplastgenomet (databasetilslutning: NC_005353) er tilgængelig online.

Ud over genomiske sekvensdata er der et stort udbud af ekspressionssekvensdata tilgængelige som cDNA -biblioteker og udtrykte sekvensmærker (EST'er). Syv cDNA -biblioteker er tilgængelige online. Et BAC -bibliotek kan købes fra Clemson University Genomics Institute. Der er også to databaser med> 50 000 og> 160 000 EST'er tilgængelige online.

En genomomfattende samling af mutanter med kortlagte indsættelsessteder, der dækker de fleste nukleare gener, er tilgængelig: https://www.chlamylibrary.org/ .

Genet af C. reinhardtii har vist sig at indeholde N6-Methyldeoxyadenosine (6mA), et mærke, der er almindeligt i prokaryoter, men meget sjældnere i eukaryoter. Nogle undersøgelser har vist, at 6mA i Chlamydomonas kan være involveret i positionering af nukleosomer, da det er til stede i linkerregionerne mellem nukleosomer såvel som nær transskriptionsstartstederne for aktivt transskriberede gener.

Udvikling

Chlamydomonas er blevet brugt til at studere forskellige aspekter af evolutionær biologi og økologi. Det er en foretrukken organisme for mange selektionsforsøg, fordi (1) den har en kort generationstid, (2) den er både en autotrof og en fakultativ heterotrof , (3) den kan reproducere både seksuelt og aseksuelt, og (4) der er et væld af genetiske oplysninger allerede tilgængelige.

Nogle eksempler (ikke -udtømmende) på evolutionært arbejde udført med Chlamydomonas inkluderer udviklingen af ​​seksuel reproduktion, egnethedseffekten af ​​mutationer og effekten af ​​tilpasning til forskellige niveauer af CO ₂ .

Ifølge en ofte citeret teoretisk hypotese opretholdes seksuel reproduktion (i modsætning til aseksuel reproduktion) adaptivt i godartede miljøer, fordi det reducerer mutationsbelastningen ved at kombinere skadelige mutationer fra forskellige nedstigninger og øger den gennemsnitlige kondition. Men i en langsigtet eksperimentel undersøgelse af C. reinhardtii blev der opnået beviser, der modsagde denne hypotese. I seksuelle populationer fandt man ikke mutations clearance, og fitness viste sig ikke at stige.

Bevægelse

C. reinhardtii svømmer takket være sine to flageller i en bevægelse, der er analog med menneskelig brystsvømning . Gentagelse af denne elementære bevægelse 50 gange i sekundet har algerne en middelhastighed på 70 µm/s; den genetiske mangfoldighed af de forskellige stammer resulterer i en enorm række værdier for denne mængde. Efter få sekunders løb fører et asynkron slag af de to flageller til et tilfældigt retningsskifte, en bevægelse kaldet "løb og tumle". På en større tid og rumskala kan algernes tilfældige bevægelse beskrives som et aktivt diffusionsfænomen .

DNA -transformationsteknikker

Gentransformation sker hovedsageligt ved homolog rekombination i chloroplasten og heterolog rekombination i kernen. Den C. reinhardtii kloroplastgenomet kan transformeres ved anvendelse af mikroprojektil partikelbombardement eller glasperle agitation, men denne sidste metode er langt mindre effektive. Atomgenomet er blevet transformeret med både glasperle -omrøring og elektroporering. Den biolistiske procedure ser ud til at være den mest effektive måde at indføre DNA i chloroplastgenomet på. Dette skyldes sandsynligvis, at kloroplasten indtager over halvdelen af ​​cellens volumen, hvilket giver mikroprojektilet et stort mål. Elektroporering har vist sig at være den mest effektive måde at indføre DNA i atomgenomet med maksimale transformationsfrekvenser to størrelsesordener højere end opnået ved anvendelse af glasperlmetode.

Produktion af biofarmaka

Genfremkaldt C. reinhardtii er blevet brugt til at producere et amyloidprotein fra pattedyr, et humant antistofprotein , human vaskulær endotelvækstfaktor , en potentiel terapeutisk Human Papillomavirus 16 -vaccine , en potentiel malariavaccine (en spiselig algevaccine ) og en kompleks designer medicin, der kan bruges til behandling af kræft.

Alternativ proteinkilde

C. reinhardtii er i produktion som en ny algebaseret ernæringskilde . Sammenlignet med Chorella og Spirulina viste det sig, at C. reinhardtii havde mere alfa-linolensyre og en lavere mængde tungmetaller, mens den også indeholdt alle de essentielle aminosyrer og lignende proteinindhold. Triton Algae Innovations udvikler et kommercielt alternativt proteinprodukt fremstillet af C reinhardtii .

Ren kilde til brintproduktion

I 1939 opdagede den tyske forsker Hans Gaffron (1902–1979), som på det tidspunkt var tilknyttet University of Chicago, brintmetabolismen i encellede grønne alger. C reinhardtii og nogle andre grønne alger kan under bestemte omstændigheder stoppe med at producere ilt og i stedet omdanne til produktion af brint. Denne reaktion med hydrogenase , et enzym, der kun er aktivt i fravær af ilt, er kortvarig. I løbet af de næste tredive år udarbejdede Gaffron og hans team den grundlæggende mekanik i denne fotosyntetiske brintproduktion af alger.

For at øge produktionen af ​​brint bliver flere spor fulgt af forskerne.

• Det første spor er afkobling af hydrogenase fra fotosyntese. På denne måde kan iltakkumulering ikke længere hæmme produktionen af ​​brint. Og hvis man går et skridt videre ved at ændre strukturen af ​​enzymet hydrogenase, bliver det muligt at gøre hydrogenase ufølsom over for ilt. Dette muliggør en kontinuerlig produktion af brint. I dette tilfælde kommer strømmen af ​​elektroner, der er nødvendig til denne produktion, ikke længere fra produktionen af ​​sukker, men er hentet fra nedbrydningen af ​​dets egen stivelsesbestand .
• Et andet spor er midlertidigt at afbryde fotosynteseprocessen gennem genetisk manipulation af hydrogenase. Dette forhindrer ilt i at nå et niveau, hvor det er i stand til at stoppe produktionen af ​​brint.
• Det tredje spor, hovedsageligt undersøgt af forskere i 1950'erne, er kemiske eller mekaniske metoder til fjernelse af O2 frembragt af algecellernes fotosyntetiske aktivitet. Disse har inkluderet tilsætning af O2 -scavengers, brug af tilsatte reduktanter og rensning af kulturerne med inerte gasser. Disse metoder er imidlertid ikke i sig selv skalerbare og er muligvis ikke anvendelige på anvendte systemer. Ny forskning har vist sig om fjernelse af ilt fra aldekulturer og kan eliminere skaleringsproblemer.
• Det fjerde spor er blevet undersøgt, nemlig at bruge kobbersalte til at afkoble hydrogenase -handling fra iltproduktion.
• Det femte spor er blevet foreslået at omdirigere den fotosyntetiske elektronstrøm fra CO ₂ -fiksering i Calvin -cyklus til hydrogenase ved at anvende korte lyspulser til anaerobe alger eller ved at nedbryde kulturen af ​​CO ₂ .

Se også

• Protistisk bevægelse#Biohybrid mikrosvømmere

Referencer

Yderligere læsning

Aoyama, H., Kuroiwa, T. og Nakamura, S. 2009. Mitokondriernes dynamiske adfærd i levende zygoter under modning og meiose i Chlamydomonas reinhardtii . Eur. J. Phycol. 44 : 497 - 507.

Jamers, A., Lenjou, M., Deraedt, P., van Bockstaele, D., Blust, R. og de Coen, W. 2009. Flowcytometrisk analyse af de cadmium-eksponerede grønalger Chlamydomonas reinhadtii (Chlorophyceae). Eur. J. Phycol. 44 : 54 - 550.

eksterne links

• Chlamydomonas ressourcecenter - "Et centralt depot til at modtage, katalogisere, bevare og distribuere højkvalitets og pålidelige vildtype- og mutantkulturer af grønalgen Chlamydomonas reinhardtii samt nyttige molekylære reagenser og kits til uddannelse og forskning."
• Plant Comparative Genomics portal - Chlamydomonas reinhardtii ressourcer fra Department of Energy Joint Genome Institute
• Guiry, MD; Guiry, GM (2008). " Chlamydomonas reinhardtii " . AlgeBase . Elektronisk publikation på verdensplan, National University of Ireland, Galway.
• Chlamydomonas reinhardtii -celle, livscyklus, belastninger, parringstyper - arkiveret database.