Hydrogen production and nitrate uptake in cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803

การผลิตไฮโดรเจนและการนำเข้าไนเตรตในไซยาโนแบคทีเรีย Synechocystis sp. PCC 6803

Name: Wipawee Baebprasert

LCSH: Hydrogen

LCSH: Hydrogenase

LCSH: Nitrates

LCSH: Cyanobacteria

Abstract: The effects of external factors on both H2 production and bidirectional Hox Hoxhydrogenase activity were examined in the non-N2 fixing cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. Exogenous glucose and increased osmolality both enhanced H2 production with optimal production observed at 0.4% and 20 mosmol kg-1, respectively. Anaerobic condition for 24 h induced significant higher H2ase activity with cells in BG110 showing highest activities. Increasing the pH resulted in an increased Hox-hydrogenase activity with an optimum at pH 7.5. The Hoxhydrogenase activity gradually increased with increasing temperature from 30℃ to 60℃ with the highest activity observed at 70℃. A low concentration at 100 μM of either DTT or β-mercaptoethanol resulted in a minor stimulation of H2 production. β- mercaptoethanol added to nitrogen and sulfur deprived cells stimulated H2 production significantly. The highest Hox-hydrogenase activity was observed in cells in BG110-Sdeprived condition and 750 μM β-mercaptoethanol measured at a temperature of 70ºC; 14.32 μmol H2 mg chl a-1 min-1. The nitrate assimilation mutant strains ΔnarB, ΔnirA and double mutant, Δnar:ΔBnirA gave higher H2 production than the wild type when cells were adapted in normal BG11 for 24 h. Nitrate uptake in response to osmotic upshifts in the non-diazotrophic cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803 was studied. A small increase of osmolality by 30 and 40 mosmol kg-1 sorbitol and NaCl resulted in about 3.5- and 4.5- fold increase of nitrate uptake, respectively. At 25 mosmol kg-1 or higher, NaCl exhibited higher nitrate uptake than sorbitol suggesting a stimulatory effect of Na+ on the uptake activity. External 20 mM NaCl stimulated nitrate uptake with Ks and Vmax values of 79 μM and 2.45 μmol min-1 mg Chl-1, respectively which were about 2-fold higher than those without NaCl. Ammonium and DL-glyceraldehyde, an inhibitor of CO2 fixation, caused a reduction of nitrate uptake. Cells pre-incubated in darkness showed drastic reduction of uptake activity by 70% suggesting energy-dependent nitrate uptake systems in Synechocystis sp. strain PCC 6803. Nitrate transport was sensitive to various metabolic inhibitors including those dissipating proton gradients and membrane potential. Altogether, the results suggest that nitrate uptake in Synechocystis sp. strain PCC 6803 is dependent on and stimulated by Na+ ions and that the uptake requires energy provided by electrochemical potentials generated by electron transport.

Abstract: ศึกษาการผลิตไฮโดรเจนและกิจกรรมของเอนไซม์ไบไดเรกชันนัล ฮอกซ์ ไฮโดรจีเนส ในไซยาโนแบคทีเรีย Synechocystis sp. PCC 6803 ที่ไม่สามารถตรึงไนโตรเจนได้ พบว่าทั้งกลูโคสและออสโมลาริตีภายนอกเซลล์กระตุ้นให้เซลล์ มีการผลิตไฮโดรเจนเพิ่มสูงขึ้น โดยค่าที่เหมาะสมต่อการผลิตก๊าซไฮโดรเจนคือที่กลูโคสความเข้มข้น 0.4% และออสโมลาริตีที่ 20 มิลลิออสโมลต่อกิโลกรัม เซลล์ที่อยู่ในอาหารเลี้ยงเชื้อที่ขาดไนเตรต (BG110) และไร้อากาศเป็นเวลา 24 ชั่วโมง มีกิจกรรม ของเอนไซม์ไบไดเรกชันนัลไฮโดรจีเนสสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ดังกล่าวมีความไวต่อก๊าซออกซิเจน และไนเตรตมีผลยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ ค่าพีเอชและอุณหภูมิที่เหมาะสมต่อการทำงานของเอนไซม์ไบไดเรกชันนัลไฮโดรจีเนสคือ 7.5 และ 70 องศาเซลเซียสตามลำดับ เมื่อศึกษาผลของการเติมรีดักเทน ได้แก่ ไดไทโอทรีออล และบีตา เมอแคปโตเอทานอล ในเซลล์ที่อยู่ในอาหารเลี้ยงเชื้อสูตรปกติ (BG11) อาหารเลี้ยงเชื้อที่ขาดไนเตรต (BG110) และอาหารเลี้ยงเชื้อที่ขาดทั้งไนเตรต และซัลเฟอร์ (BG110-S-deprived) พบว่า บีตาเมอแคปโตเอทานอลกระตุ้นให้เซลล์ที่อยู่ในอาหารสูตรที่ขาดทั้งไนเตรตและซัลเฟอร์ เป็นเวลา 24 ชั่วโมง มีการผลิตไฮโดรเจนสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีการผลิตไฮโดรเจนสูงสุดที่ความเข้มข้นของบีตา เมอแคปโตเอ ทานอล 750 ไมโครโมลาร์ และเมื่อศึกษากิจกรรมของเอนไซม์ไบไดเรกชันนอลไฮโดรจีเนสที่อุณหภูมิ 70 องศาเซลเซียส พบว่า เซลล์ที่อยู่ในอาหารที่ขาดทั้งไนเตรตและซัลเฟอร์เป็นเวลา 24 ชั่วโมง โดยเติมบีตา เมอเคปโตเอทานอลความเข้มข้น 750 ไมโคร โมลลาร์ มีกิจกรรมของเอนไซม์ดังกล่าวสูงสุดที่ 14.32 ไมโครโมลไฮโดรเจนต่อมิลลิกรัมคลอโรฟิลด์เอต่อนาที นอกจากนี้พบว่า ในสายพันธุ์กลายที่ขาดยีนไนเตรตรีดัดเทส (ΔnarB) ไนไตรทรีดักเทส (ΔnirA) และสายพันธุ์กลายสองจุดทั้งไนเตรตรีดักเทส และไนไตรทรีดักเทส (Δnar:ΔBnirA) มีการผลิตไฮโดรเจนสูงกว่าในสายพันธุ์ดั้งเดิม แสดงให้เห็นว่าขบวนการดูดซึมไนเตรตเป็น ขบวนการหนึ่ง ที่มีผลยับยั้งการผลิตไฮโดรเจนในไซยาโนแบคทีเรีย Synechocystis sp. PCC 6803 เมื่อทำการศึกษาจลนพลศาสตร์การนำเข้าไนเตรตเข้าสู่เซลล์ Synechocystis sp. PCC 6803 ที่ไม่สามารถตรึงไนโตรเจนได้ที่ภาวะปกติและภาวะความเครียดจากเกลือ 20 มิลลิโมลลาร์ มีค่า Ks เท่ากับ 46 และ 79 ไมโครโมลาร์ ตามลำดับ และอัตราเร็วสูงสุด Vmax เท่ากับ 1.37 และ 2.45 μmol (min)-1mg Chl-1 ตามลำดับ โดยที่ความเข้มข้นออสโมติกภายนอกเซลล์ที่เกิดจากซอร์บิทอลที่ 30 มิลลิออสโมลต่อกิโลกรัม และโซเดียมคลอไรด์ที่ 40 มิลลิออสโมลต่อกิโลกรัม ส่งผลให้มีการนำเข้าไนเตรตสู่เซลล์เพิ่มขึ้น 3.5 และ 4.5 เท่า ตามลำดับ แสดงให้เห็นว่า โซเดียมไอออนกระตุ้นการนำเข้าไนเตรตสู่เซลล์ จากการศึกษาผลของตัวยับยั้งการนำเข้าไนเตรตโดยแอมโมเนียม และตัวยับยังการตรึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยดีแอล-กลีเซอรอลดีไฮด์ พบว่าการนำเข้าไนเตรตสู่เซลล์ลดลง เมื่อนำเซลล์ที่บ่มภายใต้ภาวะมืดก่อนนำไปวิเคราะห์การนำเข้าไนเตรต พบว่ามีการนำเข้าไนเตรตสู่เซลล์ลดลง 70 เปอร์เซ็นต์ แสดงให้เห็นว่า Synechocystis sp. PCC 6803 ต้องการพลังงานในการขับเคลื่อนไนเตรตเข้าสู่เซลล์ การขนส่งไนเตรตมีความไวต่อ ตัวยับยั้งกระบวนการเมแทบอลิซึมที่เกี่ยวข้องกับการกระจายของโปรตอนเกรเดียนท์และความต่างศักย์ของเมมแบรน จากผลงานวิจัยข้างต้นแสดงให้เห็นว่า การนำเข้าไนเตรตใน Synechocystis sp. PCC 6803 ถูกกระตุ้นโดยโซเดียมไออนและต้องการ พลังงานซึ่งเกิดจากอิเล็กโทรเคมิคอลโพเทนเชียล ซึ่งเกิดจากการขนส่งอิเล็กตรอน

Chulalongkorn University. Office of Academic Resources

Address: BANGKOK

Email: cuir@car.chula.ac.th

Name: Aran Incharoensakdi

Role: advisor

Name: Lindblad, Peter

Role: advisor

Name: Aphichart Karnchanatat

Role: advisor

Created: 2009

Modified: 2560-11-09

Issued: 2014-03-09

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Biotechnology

Grantor: Chulalongkorn University

©copyrights Chulalongkorn University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	Wipawee_Ba.pdf	1.66 MB	2	2019-02-26 10:52:51

ใช้เวลา

0.024376 วินาที