XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Хламидомонада относится к роду зеленых одноклеточных водорослей. Их диаметр составляет около 10 микрон, часто встречаются во влажных средах, например почвах, прудах, каналах.

Наличие хлорофилла в структуре организма обуславливает его зеленую окраску, а колонии могут быть настолько многочисленными, что придают воде характерный зеленоватый цвет.

Данные организмы активно передвигаются в воде с помощью двух жгутиков, расположенных на переднем конце клетки. Жгутики покрыты волосками, которые состоят из эллипсоидальных гликопротеиновых субъединиц, расположенных цепочкой [1].

При определенных условиях Chlamydomonas может втягивать жгутики и формировать пальмеллоидную стадию. В данной стадии клетка становится неподвижной и окруженной слизью, в которой много гидроксипролина и сахаров. В таком виде клетки вступают в стадию деления. При попадании в водку клетки образуют жгутики. Хламидомонада имеет овальную или каплевидную форму и покрыта клеточной стенкой, состоящей из фибриллярных гликопротеинов. Это не характерно для зеленных водорослей, т.к. у большинства из них клеточная стенка состоит из целлюлозы.

Внтуреннее строение chlamydomonas reinhardtii представлено ядром, аппаратом Гольджи, рибосомами, две (ряд видов имеет 4 и больше) сократительные вакуоли и крупный чашевидный хлоропласт. Рядом с передним краем хлоропласта непосредственно под оболочкой расположен глазок желтого или оранжевого цвета, который немного выдается наружу и состоит из 2-3 гранул липидно-каротиноидного вещества. Глазок работает как фильтр, проводя синий и зеленый свет к фоторецептору [1]. В центре нижней части хлоропласта находится пиреноид – сферическое тело, окруженное крахмалоносными пластинками. Также имеются митохондрии [2].

При работе с хламидомонадами необходимо продумать методику их культивирования. Популярным типом выращивания микроводорослей является периодическое культивирование, которое предусматривает внесение посевного материала в питательную среду в начале процесса и получение культуры при достижении заданной фазы развития популяции [3]. Для этого типа культивирования характерно непрерывное изменение физиологического состояния клеток, вызванное изменениями условий из-за жизнедеятельности самих клеток [4]. В процессе роста водорослей под их влиянием происходят существенные изменения среды: снижается её прозрачность, происходит истощение минеральных и органических нутриентов, меняется содержание Ci и O₂, меняется pH среды. Развитие периодической культуры обычно делят на три этапа: лаг-фазу, фазу экспоненциального роста и стационарную фазу. В случае хламидомонады было предложно выделить дополнительный этап в стационарной фазе – фазу накопления липидов [3].

При культивировании C. reinhardtii в качестве источника органического углерода используют уксусную кислоту или её соль – ацетат натрия [2]. Ацетат является превосходным субстратом для гетеротрофного роста в темноте, а также значительно стимулирует рост культуры при освещении [5]. Помимо этого, добавление ацетата в среду приводит к перестройкам фотосинтетического аппарата и перераспределению светообразующих комплексов. Так же наблюдается ингибирование фотосинтетического выделения кислорода и фиксации углекислого газа. Наряду с этим стимулируется рост интенсивности дыхания. Для выращивания C. reinhardtii пользуются минеральными средами, например ацетатными или дрожжевыми. Ацетат натрия используется в качестве органического источника углерода, а дрожжевой экстракт как источник витаминов при выращивании витамин-дефицитных мутантов. Для более быстрого приготовления питательных сред используют исходные запасные растворы основных солей, например раствор Бейеринка, фосфатный буфер, цитрат натрия, ацетат натрия и смесь микроэлементов. При приготовлении агаризованных сред используют полученные растворы питательных сред с добавлением 15-20 г/л агар-агара. Среды стерилизуют в автоклаве при 1-1.2 атм в течение 40 минут. Затем их слегка охлаждают (до около 70°С) и разливают в пробирки или на чашки Петри. Культивирование в агаризованной среде проводится при 23–25°С, в жидких средах – 27–35°С [2]. Рост культур на агаризованных средах происходит медленнее по сравнению с жидкими средами [5].

Исходя из её морфологических, генетических и физиологических характеристик C. reinhardtii является хорошим модельным объектом при изучении основных биологических процессов. C. reinhardtii быстро растет в аксенных культурах, как на жидких, так и на твердых средах, с половым циклом, который можно точно контролировать. Еще одна важная особенность, связанная с их культивированием, это рост при освещении, который является единственным источником энергии. Это называется фотоавтотрофным ростом. На ацетатной среде выращивают в темноте, это облегчает изучение генов и белков, связанных с фотосинтетической или дыхательной функцией. Так же C. reinhardtii применяют для прямого выяснения функции белков в клетках, биогинез клеточной стенки, гаметогенез, спаривние, фототаксис и адаптивные реакции на свет и питательные среды [6, 7, 8]. Некоторые данные из этих исследований непосредственно имеют прикладное значение.

Так же C. reinhardtii является интересным объектом для применения в биотехнологиях. Например, изучение экспрессии генов в хлоропластах является перспективным направлением. Геном хлоропластов легко изменяется с помощью гомологичной рекомбинации, что применяют для экспрессии рекомбинантных белков в хлоропласте. При этом существуют штаммы C. reinhardtii, у которых при высоком уровне концентрации рекомбинантного белка, сохраняется способность к фотосинтетической активности. Высокие уровни экспрессии могут позволить C. reinhardtii конкурировать с широко используемыми системами экспрессии, такими как бактерии [9].

Иное применение C. reinhardtii в биотехнологиях связано с производством водорода.

Хламидомонады могут использовать анаэробный метаболизм, производя газообразный водород и различные метаболиты, такие как формиат и этанол. Производство водорода хламидомонадами в будущем может иметь значение в качестве альтернативного источника энергии [9].

В будущих исследованиях, связанных с C. reinhardtii, намечается тенденция к более глубокому изучению генома, влияния различных мутаций на биохимические процессы. Изучение функции отдельно взятых генов, с помощью фланкирующих сайтов. Помимо этого, необходимо понять расположение и количество консенсусных последовательностей генома, последовательностей сплайсинга и их влияние на уровень экспрессии генов.

Литературные источники.

1. Г. А. Белякова, К. Г. Дьяков, К. Л. Тарасов.2006. Ботаника в 4 т. Т.2. Водоросли и грибы. УДК58(075.8).

2. В. Г. Ладыгин. 2015. Жизненный цикл, наследование, биогенез, биохимический состав, спектральные свойства и структурно-функциональная организация хлоропластов Chlamydomonas reinhardtii. УДК 575.24 : 581.132 : 581.174.1 : 582.264.

3. Метаболизм и профиль экспресии генов клеток Clamidomonas reinhardrii при различных трофических нарушениях.

4. О. В. Блажевич. 2004. Культивирование клеток. Курс лекций. УДК 57.085(042).

5. Л.А.Гайсина, А.И Фазлутдинова, Р.Р.Кабиров. 2008 Современные методы выделения и культивирования водорослей. УДК 582.26.

6. Датчер С. К. 2000. Chlamydomonas reinhardtii: биологическое обоснование геномики. J. Эукариот. Микробиол. 47:340-349.

7. Финацци Г. А. Фуриа, Р. П. Барбагалло и Г. Форти. 1999. Переходы состояний, циклический и линейный перенос электронов и фотофосфорилирование у Chlamydomonas reinhardtii. Биохим. Биофизика. Acta 1413:117-129.

8. Харрис, Э. Х. 2001. Хламидомонады как модельный организм. Annu. Преподобный физиол. растений. Plant Mol. Биол. 52:363-406.

9. Артур Р. Гроссман, Элизабет Э. Харрис, Чарльз Хаузер и др. 2003. Chlamydomonas reinhardtii на перекрестке геномики. Eukaryotic Cell. 1137-1150.