En glasvæg understøtter mikroalgers fotosyntese

A nano-porous cell-wall of glass enhances blue light inside the microscopic diatom cell and efficiently distributes light over the whole cell volume containing yellow-brown chloroplasts, wherein photosynthesis takes place. In: Plankton. Wonders of the drifting world (credit: Christian Sardet; www.planktonchronicles.com).

Fotosyntesen er måske den vigtigste biogeokemiske proces på Jorden idet den skaber ny biomasse og ilt udfra sollysets energi, kuldioxid og næringssalte. Kun planter, alger og nogle bakterier er i stand til at udføre fotosyntese. Kiselalger (diatomeer i fagsprog) er mikroalger, der bidrager med omkring 25% af den globale fotosyntese, og de er dermed den vigtigste primære fødekilde for mange organismer i oceanerne. Et særpræg ved kiselalgerne er, at hver celle er omgivet af et todelt skelet af kisel (glas) med en overskal og en underskal, der omslutter cellen som låg og bund i en æske. Skallernes er perforeret af et komplekst mønster af porer i nm størrelse. Hvorfor kiselalger danner disse nano-porøse glas-strukturer og hvilken rolle de spiller for mikroalgernes biologi er der stadig usikkerhed om. En forskergruppe ledet af professor Michael Kühl ved Biologisk Institut, Københavns Universitet, har netop publiceret et studie i det førende plantebiologiske tidsskrift New Phytologist, som viser at kiselalgernes skaller interagerer med sollys og optimerer mikroalgernes fotosyntese.

Mikroalger med ordnet struktur
– "Det er ekstremt fascinerende, at diatomer kan bygge sådanne velordnede strukturer ved kolde temperaturer, mens mennesker kun kan fremstille glas ved meget høje temperaturer", siger Johannes Goessling, førsteforfatter på artiklen og tidligere ph.d.-studerende i professor Michael Kühls forskningsgruppe. Han fortsætter: "Forskere har primært undersøgt kiselalgers skalstrukturer under tørre forhold i laboratoriet. Men vi besluttede os for at studere skallerne og intakte levende kiselalgers optiske egenskaber under mere naturlige forhold i vand”

Kiselalgernes nano-porøse skaller har en struktur der minder om såkaldte fotoniske krystaller, som er kendt fra materialevidenskab og fysik, og som kan indfange og omfordele lys. Forskergruppen fra Biologisk Institut har nu vist at kiselalgernes skaller sørger for en jævn udlysning af mikroalgernes kloroplaster, hvor fotosyntesen finder sted. Desuden påvirker skalstrukturen, lysets farvesammensætning i cellen, hvilket understøtter højere hastighed af fotosyntesen.

En helt ny metode
For at demonstrere vigtigheden af ​​kiselskallernes optiske egenskaber måtte forskerne udvikle helt nye metoder til måling af lys og fotosyntese på enkelte mikroalger.

Michael Kühl forklarer: "Vi har udviklet en metode, hvor vi kan fokusere en mikroskopisk lysplet ned på en lille del af en enkelt kiselalge – mens vi kan tage billeder af den fotosyntetiske aktivitet henover hele mikroalgen. Ved hjælp af fiberoptiske mikrosensorer kan vi også måle hvordan lyset fra det bestrålede område bliver kanaliseret og fordelt henover hele algecellen, altså også de dele som ikke bliver direkte belyst”.

Ved brug af disse nye værktøjer kunne forskerne demonstrere, at lyet bliver fordelt jævnt over hele kiselskallen, og derved stimulerer fotosyntetisk aktivitet over hele cellen på trods af den meget lokale belysning. Der er mere end 10.000 arter af kiselalger, som alle varierer i deres skalstruktur, og forskerne antager, at en sådan variation kan hjælpe forskellige diatomer med at optimere lyset – og dermed fotosyntesen - under forskellige lysforhold.

Vi kan lære af naturens løsninger
Michael Kühl uddyber yderligere: "Lignende nano-strukturer er udbredt i planter og alger, men vi er først nu begyndt at forstå hvilken rolle de spiller for organismernes lysudnyttelse i fotosyntesen. De farvestrålende kæmpemuslinger på koralrev huser mikroalger som symbionter i deres væv og bruger feks fotoniske strukturer i vævet til at skærme for skadeligt lys, samtidig med at de omdirigerer gavnlige bølgelængder ind i vævet for optimal eksponering af mikroalgerne. Et andet eksempel er Begonia planter fra tropiske regnskove samt nogle mosplanter, som også har organiserede fotoniske strukturer i bladene, som hjælper dem med at opfange lys i skyggefulde levesteder.

Johannes Goessling konkluderer:" Med vores nye metoder kan vi nu undersøge hvordan biologiske nanostrukturer optimerer lysudnyttelsen. Ud over et fascinerende indblik i basale sammenhænge mellem strukturbaseret optik og fysiologi i naturlige systemer og organismer, så kan sådanne undersøgelser også inspirere til innovation og design af mere effektive strukturer i forbindelse med udvikling af nye teknologier og materialer til udnyttelse af solenergi".

Arbejdet blev støttet af et Sapere-Aude topforsker-stipendium fra Danmarks Frie Forskningsfond samt en apparaturbevilling og et postdoc-stipendie fra Carlsbergfondet.