Статья: Биофизика фотобиологических процессов

Как биотехнологический прием для разделения во времени процессов фотосинтетического выделения О2 и светозависимого выделения Н2 можно использовать серное голодание культуры водорослей. Изучение влияния серного голодания на клетки Chlamydomonas reinhardtii в аэробных условиях (когда гидрогеназа неактивна) показало, что при недостатке серы происходит инактивация катализируемого ФС II выделения О2 . В замкнутом культиваторе культура микроводоросли на свету в отсутствие серы в среде проходит несколько последовательных стадий. Сначала идет активное выделение O2, затем активность ЭТЦ фотосинтеза снижается, и процессы дыхания начинают преобладать над процессами фотосинтеза. Когда скорость фотосинтетического образования O2 становится ниже скорости дыхания, культура переходит в анаэробные условия, и через некоторое время начинается выделение H2.

О том, что происходит с фотосинтетическим аппаратом при прохождении всех этих стадий, можно судить по параметрам флуоресценции хлорофилла. Изучение динамики активности ФС II Chlamydomonas reinhardtii в культиваторе показало, что переход в анаэробиоз сопровождается резким падением активности ФС II, по времени совпадающим с началом выделения водорода. Активацию гидрогеназы в анаэробных условиях можно рассматривать как адаптивный механизм, который увеличивает отток электронов на водород, что снижает степень восстановленности пула хинонов и реактивирует часть центров ФС II. Это способствует частичному сохранению фотосинтетического электронного транспорта в голодающих клетках и обеспечивает их некоторым количеством кислорода, что позволяет некоторое время оставаться жизнеспособными в условиях стресса. Временное частичное повышение скорости электронного транспорта вызывает реокисление пула хинонов, что видно по изменению индукционной кривой флуоресценции. Эти результаты показывают, что изменение редокс-состояния пула хинонов — способ регуляции ЭТЦ при смене условий.

Весьма перспективным при прояснении вопроса о роли фотосистемы II в процессах выделения водорода является использование мутантов с сайт-специфичными повреждением в ФС II. Были использованы мутанты водоросли C. reinhardtii, обладающие различной кислород-выделяющей активностью. Представлялось, что частичная потеря кислородвыделяющей активности будет иметь следствием ускорение перехода в анаэробные условия, но не должна отрицательно сказаться на скорости продукции Н2 . Однако оказалось, что, чем больше повреждена способность ФС II к выделению О2 , тем сильнее снижена способность к выделению водорода. Изучение динамики накопления и расхода метаболитов (крахмала, формата и ацетата) в разных мутантах в ходе серного голодания показало, что образование водорода в большей, чем ожидалось, степени коррелирует с активностью ФС II. Эти исследования могут быть основой для разработки биотехнологических приемов для увеличения выхода Н2 .