Effect of ammonium and carbon source on photosynthetic activity and cell wall protein composition of Chlorella vulgaris K-01 strain

Ściany komórkowe glonów są złożonymi strukturami, różniącymi się w obrębie poszczególnych gatunków. Gromada zielenice (Chlorophyta) posiada ściany złożone głównie z celulozy, pektyn, białek, tłuszczy oraz w niektórych przypadkach, polimeru węglowodorowego- algenanu. Jego obecność skutkuje wyjątkową wytrzymałością ściany komórkowej, a także poważnie ogranicza ekstrakcję użytecznych biotechnologicznie metabolitów z biomasy alg. Dlatego badania struktury ścian komórkowych i wpływu abiotycznych czynników środowiskowych na ich skład biochemiczny mają kluczowe znaczenie dla rozwoju przyszłych biotechnologii opartych na mikroglonach. W niniejszej pracy zbadano wpływ jonów amonowych i źródła węgla na aktywność fotosyntetyczną i skład białek ściany komórkowej szczepu Chlorella vulgaris K-01 wyizolowanego z tężni solankowej (Ciechocinek, Polska) w wyniku poprzednich prac zespołu. Przeprowadzone badania uwzględniły również szczepy Scenedesmus obliquus 633 oraz Chlorella sorokiniana 211-8k w celach porównawczych.W wyniku przeprowadzonych analiz udowodniono, że hodowle miksotroficzne cechowały się zarówno większym przyrostem biomasy, jak i wyższą aktywnością fotosystemu II w porównaniu do hodowli fotoautotroficznych. Wykazano, że szczep Chlorella vulgaris K-01 może efektywnie rosnąć i przeprowadzać fotosyntezę przy wysokim stężeniu jonów amonowych w hodowli fotoautotroficznej. Jednakże obecność zwiększonego stężenia jonów amonowych w warunkach miksotroficznych, powoduje zahamowanie aktywności fotosyntetycznej i przejście komórek na heterotrofizm.Analiza proteomu ścian komórkowych metodami LC-MS/MS oraz SDS-PAGE, pokazała, że skład białkowy badanych szczepów różnił się między poszczególnymi gatunkami, a także w obrębie szczepu Chlorella vulgaris K-01 hodowanego w warunkach standardowych oraz z dodatkiem chlorku amonu. Świadczy to o różnicach w budowie ścian komórkowych badanych szczepów, a także o możliwym wpływie podwyższonych stężeń jonów amonowych w podłożu na skład białkowy ściany komórkowej glonu Chlorella vulgaris K-01.W pracy zbadano również obecność ubikwityny w ścianach komórkowych glonów. Analiza technikami immunoblottingu, mikroskopii immunofluorescencyjnej, oraz LC-MS/MS wykazały obecność tego białka w ścianach komórkowych glonów.

Cell walls of Chlorophyta green algae are complex polymeric structures consisting of cellulose, hemicelluloses, pectins, proteins and, in many cases, a hydrocarbonaceous polymer – algaenan. The presence of algaenan results in cell wall resistance and severely limits the extraction of biotechnologically useful metabolites from the algal biomass. Therefore, studies of the structure of cell walls and on the effects of abiotic environmental factors on their biochemical composition are crucial for the development of future biotechnologies based on microalgae.In this study, the effect of ammonium ions and the carbon source on the photosynthetic activity and protein composition of cell walls of the Chlorella vulgaris K-01 strain was investigated. The strain was previously isolated from a graduation tower (Ciechocinek, Poland). The conducted studies also included the strains Scenedesmus obliquus 633 and Chlorella sorokiniana 211-8k for comparative purposes.Both higher biomass accumulation and the higher efficiency of photosystem II were obtained under mixotropic cultivation compared to photoautotrophic cultures. It was proved that Chlorella vulgaris K-01 strain can effectively grow and performs photosynthesis at high ammonium concentration on mineral media but high ammonium concentration under mixotrophic conditions results in a switch to heterotropic growth.The cell walls purified from Chlorella vulgaris K-01 growing on ammonium-rich media presented different protein composition (SDS-PAGE, LC-MS/MS), suggesting an effect of elevated ammonium concentrations on cell wall structure. The proteome of the examined strains also varied between species.Immunoblotting analysis, immunofluorescence microscopy, and LC-MS/MS collectively showed the presence of ubiquitin in algal cell walls.