Door zonlicht kunnen groene algen meer doen dan alleen fotosynthese uitvoeren. Sommige eencellige algen gebruiken licht zelfs om de hechting van hun flagella aan oppervlakken aan en uit te zetten - een fenomeen dat voor het eerst werd ontdekt door natuurkundigen van het Göttingen Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization. Deze bevindingen zijn met name relevant voor de ontwikkeling van bioreactoren waarin algen dienen als hernieuwbare grondstof voor de productie van biobrandstoffen.

In het dagelijkse leven, groene algen zijn meestal slecht nieuws. Bij vochtig weer, microscopisch kleine eencellige algen vormen een slijmerige laag op tuinmeubelen en huismuren; tijdens warme zomers, ze vormen een schuim op het oppervlak van tuinvijvers en waterzuiveringstanks. Maar ook groene algen kunnen heilzaam zijn. Al jaren worden algen gekweekt in bioreactoren, in grote installaties bestaande uit glazen buizen, biobrandstoffen te produceren. Echter, groene algen hebben een eigenschap die dit proces bemoeilijkt:het gebruik van kleine haartjes, bekend als flagella, ze hechten aan oppervlakken. Bij bioreactoren, hierdoor vormt zich een groene biofilm op de wanden van de glazen buizen. Als resultaat, minder licht dringt de reactor binnen. De biofilm vermindert het vermogen van andere algen in de reactor om fotosynthese uit te voeren, waardoor de bioreactor minder efficiënt wordt.

Chlamydomonas plakken niet in rood licht

Een onderzoeksteam onder leiding van Oliver Bäumchen, een natuurkundige aan het Max Planck Instituut voor Dynamiek en Zelforganisatie in Göttingen, heeft nu een ontdekking gedaan die de efficiëntie van bioreactoren zou kunnen verhogen. "Bij experimenten met groene algen, we ontdekten dat de algen plakkerig zijn en alleen onder bepaalde lichtomstandigheden aan oppervlakken kunnen hechten, ' zegt Oliver Bäumchen.

De wetenschapper houdt zich al jaren bezig met de hechtende eigenschappen van micro-organismen. Hij is vooral geïnteresseerd in flagella en de mechanismen waarmee deze kleine haarachtige structuren verrassend sterke adhesieve krachten kunnen uitoefenen. Hij en zijn staf bedachten een nauwkeurige sensor om de betrokken krachten te meten:een ultradunne glazen micropipet die een enkele groene algencel kan opzuigen. Met behulp van de micropipet, ze meten de kracht die nodig is om een ​​levende cel los te maken van een oppervlak.

Chlamydomonas gebruikt verschillende eiwitten om licht te voelen

Bäumchens promovendus, Christian Kreis, ontdekte dat de hechting van algen aan oppervlakken kan worden gecontroleerd door licht. Experimenteren met de groene alg Chlamydomonas, hij ontdekte dat het alleen onder wit licht consequent een sterke kleefkracht vertoonde. Onder rood licht, de cellen hechtten helemaal niet aan oppervlakken. Het is al lang bekend dat veel micro-organismen zich oriënteren op licht en, bijvoorbeeld, naar een lichtbron zwemmen. Echter, het was niet eerder bekend dat het adhesiemechanisme van de groene alg met licht kan worden in- en uitgeschakeld.

Kreis onderzocht de lichtrespons nauwkeuriger en ontdekte dat Chlamydomonas uitsluitend aan oppervlakken kleeft bij blootstelling aan blauw licht. De alg gebruikt een aantal speciale lichtgevoelige eiwitten om het licht te voelen. "Wij geloven dat licht-schakelbare kleefkracht een product van evolutie kan zijn, " zegt Christian Kreis. In tegenstelling tot marien fytoplankton, deze verwante micro-organismen leven meestal in natte bodems waar ze vaak oppervlakken tegenkomen. "Als die oppervlakken worden blootgesteld aan zonlicht, dit slimme mechanisme zorgt ervoor dat de algen zich eraan vastklampen en beginnen met fotosynthese, ’ legt de onderzoeker uit.

Algen met gemodificeerde blauwlicht-fotoreceptoren vormen mogelijk geen biofilms

Deze bevinding biedt op zichzelf geen manier om de vorming van algen op de glazen wanden van bioreactoren te voorkomen. Blootstelling van bioreactoren aan het rode licht alleen om de adhesie uit te schakelen werkt niet, omdat groene algen ook blauw licht nodig hebben voor fotosynthese. Oliver Bäumchen en Christian Kreis pakken het daarom anders aan. “We werken nu samen met microbiologen die veel ervaring hebben met groene algen, " zegt Bäumchen. "We zijn van plan cellen te bestuderen waarin de verschillende blauwlicht-fotoreceptoren zijn geblokkeerd om erachter te komen welke van die fotoreceptoren in feite verantwoordelijk is voor het activeren van de hechtende eigenschappen." Als algen met gemodificeerde blauwlicht-fotoreceptoren in grote volumes, we kunnen ze misschien in bioreactoren gebruiken zonder de ergernis van biofilms die zich op de oppervlakken vormen.

Het onderzoeksteam van Oliver Bäumchen heeft zich om verschillende redenen gericht op de schakelbare adhesie van groene algen:"Het is over het algemeen interessant om het fenomeen van oppervlakteadhesie te begrijpen. de adhesiekrachten zijn enorm in verhouding tot de celgrootte, " zegt Bäumchen. Hij bestudeert ook flagella omdat hun constructieprincipe bijna identiek is aan dat van trilhaartjes in het menselijk lichaam, bijvoorbeeld in de longen.

Christian Kreis houdt zich ook bezig met manieren om de vorming van biofilms van algen te voorkomen. Momenteel onderzoekt hij of adhesie kan worden in- en uitgeschakeld door andere triggers dan licht, bijvoorbeeld door oppervlakken die zwakke elektrische ladingen dragen. "Biofilms zijn lastig in veel toepassingen, ', zegt de onderzoeker. 'Als we oppervlakken zo zouden kunnen ontwerpen dat ze voorkomen dat micro-organismen eraan blijven plakken, dat zou een zegen zijn voor veel toepassingen in de geneeskunde, biotechnologie en chemische technologie."