Sinilevän sitoma valoenergia voi mahdollistaa vihreän energiantuotannon (Väitös: Maria Ermakova, 13.3.2015, molekulaarinen kasvibiologia)
Sinileväkukintoja aiheuttavat syanobakteerit ovat lupaavia organismeja puhtaan energian tuotantoon. Turun yliopistossa väittelevä Maria Ermakova selvitti, kuinka syanobakteerien sitomaa valoenergiaa voisi ohjata niin, että saataisiin haluttuja lopputuotteita.
Maria Ermakova perehtyi väitöstutkimuksessaan syanobakteerien energia-aineenvaihduntaan ja löysi ennestään tuntemattomia reaktiosarjoja. Nämä löydöt vaikuttavat olennaisesti siihen, miten syanobakteereja muokataan puhtaan energian tuotantoon.
– Tietyissä olosuhteissa syanobakteerit kykenevät tuottamaan vetyä, joka on turvallinen ja ekologisesti puhdas energianlähde. Lisäksi syanobakteereja muokataan nykyään synteettisen biologian avulla tuottamaan hiilipohjaisia polttoaineita ja erilaisia hyödyllisiä kemikaaleja, niin teollisuuden raaka-aineiksi kuin myös arvokkaiden kemikaalien ja lääkeaineiden tuottoon, Ermakova kertoo.
Syanobakteereille ominainen hapen pelkistymistie on tärkeä löytö
Typpi on yksi tärkeimmistä alkuaineista, joista elävät organismit koostuvat. Vaikka typpeä on saatavilla ilmakehässä runsain mitoin, eliöt eivät kykene käyttämään tätä inerttiä kaasua suoraan typen lähteenä. Jotkut syanobakteerilajit pystyvät kuitenkin sitomaan ilmakehän typpeä biologisesti käytettävissä olevaksi ammoniakiksi.
Rihmamaisilla syanobakteereilla tämä reaktio tapahtuu typen sidontaan erikoistuneissa soluissa, heterokysteissä, jotka sisältävät kaasumaista typpeä sitovaa nitrogenaasi-entsyymiä. Nitrogenaasi on erittäin herkkä hapelle ja heterokysteissä ylläpidetäänkin täysin hapetonta ympäristöä.
– Tutkimukseni osoitti, että valossa tapahtuva flavodiiron proteiinien katalysoima hapen pelkistyminen vedeksi on yksi tärkeimmistä mekanismeista, joilla nitrogenaasi-entsyymiä suojellaan. Ilman tätä reaktiota syanobakteerit eivät kykenisi sitomaan ilmakehän typpeä ja menettäisivät tämän kilpailuedun muihin organismeihin nähden, Ermakova kertoo.
Nitrogenaasi on tärkeä entsyymi myös biologiselle vedyntuotannolle, sillä vetyä syntyy nitrogenaasin toiminnan sivutuotteena. Tästä johtuen valossa tapahtuva hapen pelkistyminen on tärkeä reaktio vedyntuotannon kannalta ja sen löytyminen on olennainen askel kohti teollista vedyntuotantoa syanobakteerien avulla.
– Tieto siitä, minkälaisiin reaktioihin elektroneja solujen sisällä ohjataan, auttaa ratkaisevasti kehittämään syanobakteereita, joilla on haluttuja ominaisuuksia ja jotka kykenevät tuottamaan useita arvokkaita lopputuotteita käyttäen raaka-aineinaan vain valoa, vettä ja hiilidioksidia.
Energiahukkaa ehkäistään kasvuolosuhteita säätelemällä
Kasveilla fotorespiraatio johtaa viljelysatojen huomattaviin tuotannonmenetyksiin. Fotorespiraatiossa hiilidioksidia sitova entsyymi reagoi hiilidioksidin sijasta hapen kanssa, minkä seurauksena muodostuu solulle myrkyllisiä yhdisteitä.
– Olen osoittanut, että nämä reaktiotiet löytyvät myös syanobakteereista, mutta niiden toiminta voidaan ehkäistä kasvuolosuhteita säätelemällä, Ermakova toteaa.
Syanobakteerien flavodiiron proteiinit pelkistävät happea käyttämällä yhteyttämisessä muodostuneita pelkistäviä NADPH molekyylejä. Ensisilmäyksellä tämä näyttäisi olevan täysin energiaa hukkaava prosessi, mutta Ermakova osoitti proteiinien olevan elintärkeitä syanobakteerien luonnonvaraiselle selviytymiselle.
– Pilvien ja veden liikkeiden ansiosta syanobakteerit altistuvat päivän aikana suurille ja nopeasti vaihtuville valointensiteetin muutoksille. Ne syanobakteerit, joilta flavodiiron proteiinit puuttuvat, kuolevat pian vaihtelevissa valo-olosuhteissa.
***
Perjantaina 13. maaliskuuta 2015 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Educarium, Edu1-auditorio, Assistentinkatu 5, Turku) julkisesti tarkastettavaksi MSc Maria Ermakovan väitöskirja ”Oxygen photoreduction in cyanobacteria” (Oxygen photoreduction in cyanobacteria). Virallisena vastaväittäjänä toimii tohtori Diana Kirilovsky Sacleyn biologian ja teknologian instituutista Ranskasta ja kustoksena professori Eevi Rintamäki Turun yliopistosta.
MSc Maria Ermakova on syntynyt 1986 Sverdlovskissa ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2003 Tobolskissa Venäjällä. Master of Science -tutkinnon Ermakova suoritti 2009 Uralin valtionyliopistossa. Parhaillaan hän toimii tutkijana Turun yliopistossa. Väitös kuuluu molekulaarisen kasvibiologian alaan.
Väitöskirjan myynti: Turun yliopiston verkkokauppa UTUshop, https://utushop.utu.fi/c/2-annales-universitatis-turkuensis/