V modelovém organismu Chlamydomonas reinhardtii probíhá fotosyntéza a aerobní dýchání v chloroplastech a mitochondriích, zatímco anaerobní fermentace může probíhat nezávisle v cytoplazmě, mitochondriích a chloroplastech. Jak tyto tři základní procesy energetického metabolismu probíhají v harmonii a pořádku v jedné buňce, je vědecká otázka, která si zaslouží hlubší úvahu. V současné době existuje relativní nedostatek výzkumu týkajícího se interakcí mezi těmito třemi a mechanismus funkčního propojení není dosud jasný.
Předchozí studie ukázaly, že fotosyntetické organismy postupně akumulují protony působením tmy, což vede k okyselení lumen vezikulu podobného chloroplastu a tím k inhibici fotosyntézy, což může souviset s dýcháním chloroplastů nebo hydrolýzou ATP. Na základě předchozích studií o acidifikaci cystoidního lumenu výzkumná skupina Tian Lijin v Botanickém ústavu Čínské akademie věd předpokládala, že slabá kyselina produkovaná během fermentačního procesu mohla inhibovat fotosyntézu. Aby bylo možné tuto hypotézu otestovat, studie integrovala biologické, fyzikální a chemické metody a zjistila, že přidání slabých kyselin za tmavých podmínek by mohlo způsobit okyselení lumen cysty u chloroplastových respiračních mutantů ptox2, nda2 a mutantu hydrolýzy ATP FUD50, který vyloučila tvrzení, že okyselení lumen cysty ve tmě bylo způsobeno dýcháním chloroplastů a hydrolýzou ATP. Mezitím bylo zjištěno, že stupeň acidifikace v lumen cysty pozitivně koreloval s celkovou akumulací anaerobně metabolizovaných slabých kyselin, zatímco v experimentech s použitím zelené řasy NIES-2499, která není producent slabých kyselin během fermentačního metabolismu, za stejných podmínek zpracování. To naznačuje, že slabě kyselý metabolit produkovaný fermentací je příčinou acidifikace cystoidního lumenu. Studie také prokázala, že tento mechanismus zpětné regulace metabolitů existuje u různých druhů fotosyntetických organismů. Dále, na základě semipermeability membrány pro malé molekuly, studie navrhla model „iontové pasti“, tj. molekuly slabé kyseliny produkované exogenní adicí nebo anaerobní fermentací mohou procházet lipidovou dvojvrstvou a nakonec vstoupit do cystoidního lumenu, ale ionizované ionty nejsou schopny volně procházet membránou a cystoidní lumen má nižší pH pufrační kapacitu, což vede k akumulaci protonů v lumen a okyselení. a tím dochází k okyselení.
Tato studie objasňuje nový mechanismus, kterým anaerobní fermentace ovlivňuje fotosyntézu a dýchání u fotosyntetických organismů, což má velký význam pro zkoumání chemické vazby mezi fotosyntézou, aerobním dýcháním a anaerobním dýcháním a pro zkoumání základních fyziologických procesů fotosyntetických organismů. jako optimalizace růstu a schopnosti rostlin vázat uhlík.
Související výsledky výzkumu byly zveřejněny online v Nature Communications. Na studii se podíleli vědci z nizozemské Svobodné univerzity v Amsterdamu, belgické univerzity v Lutychu a francouzského CNRS. Výzkum byl podpořen Národním klíčovým výzkumným a vývojovým programem Číny, Národní nadací přírodních věd Číny a Strategickým pilotním projektem Čínské akademie věd.
Metabolická dráha anaerobní fermentace u Chlamydomonas reinhardtii a pracovní model "iontové pasti"