2022
12/26
相关创新主体

创新背景

在潮湿的天气里,微小的单细胞藻类在花园家具和房屋墙壁上形成粘稠层;在温暖的夏季,它们在花园池塘和水处理池的表面形成浮渣。但绿藻也可能是有益的。多年来,藻类已经在生物反应器中培养,在由玻璃管组成的大型设施中,以生产生物燃料。然而,绿藻具有使这一过程变得困难的特性:使用称为鞭毛的小毛发,它们粘附在表面上。在生物反应器中,这导致在玻璃管壁上形成绿色生物膜。因此,穿透反应堆的光更少。生物膜降低了反应器中其他藻类进行光合作用的能力,从而使生物反应器的效率降低。

 

创新过程

衣藻在红光下不粘

哥廷根马克斯普朗克动力学与自组织研究所的物理学家Oliver Bäumchen领导的一个研究小组发现,在绿藻实验中,藻类是粘性的,只有在一定的光照条件下才能粘附在表面上。根据这一特性,可以提高生物反应器的效率。

科学家多年来一直专注于微生物的粘附性能。研究探究鞭毛以及微小的毛发状结构可以施加强大粘附力的机制,工作人员设计了一种精确的传感器来测量所涉及的力:一种超薄玻璃微量移液器,可以吸入单个绿藻细胞。使用微量移液器,他们测量将活细胞从表面分离所需的力。

绿藻可以通过光来改变它们粘附在表面上的能力。在光线下,它们的两根细毛(称为鞭毛)粘在表面上,而在黑暗中,藻类通过一种蛙泳运动在水中游泳。

衣藻使用各种蛋白质来感知光

研究发现,藻类对表面的粘附可以通过光来控制。在对绿藻衣藻进行实验时,只有在白光下,它才会始终表现出很强的粘附力。在红光下,细胞根本不粘附在表面上。许多微生物将自己定向到光中,例如游向光源。然而,以前的研究不知道绿藻的粘附机制可以用光打开和关闭。

研究人员更仔细地探究了光的反应,发现衣藻在暴露于蓝光时只粘附在表面上。藻类使用许多特殊的光敏蛋白来感知光。与海洋浮游植物不同,这些相关微生物通常生活在潮湿的土壤中,经常遇到表面。如果这些表面暴露在阳光下,这种巧妙的机制使藻类能够附着在它们身上并开始进行光合作用,光可切换的粘合性可能是进化的产物。

具有修饰蓝光光感受器的藻类可能不会形成生物膜

这一发现本身并不能提供一种防止藻类沉积物在生物反应器的玻璃壁上形成的方法。将生物反应器暴露在红光下只是为了关闭粘附是行不通的,因为绿藻也需要蓝光进行光合作用。因此,研究团队与在绿藻方面拥有丰富经验的微生物学家合作,研究各种蓝光光感受器被阻断的细胞,以找出哪些光感受器实际上负责触发粘合特性。如果具有修饰的蓝光光感受器的藻类可以大量生长,也许能够在生物反应器中使用它们,而不会在表面上形成生物膜。

研究团队专注于绿藻的可切换粘附,粘附力相对于细胞的大小是巨大的,了解表面粘附现象通常很有用。鞭毛的结构原理几乎与人体(例如肺部)纤毛的构造原理相同。

研究团队还关注防止藻类生物膜形成的方法。粘附是否可以通过光以外的触发器打开和关闭,例如通过携带弱电荷的表面是研究中的一部分内容。

 

创新关键点

研究证明一些单细胞藻类实际上使用光来切换鞭毛与表面的粘附。新发现与生物反应器的发展特别相关,其中藻类作为生产生物燃料的可再生原料。

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