Solljus gör att grönalger kan göra mer än att bara utföra fotosyntes. Vissa encelliga alger använder faktiskt ljus för att koppla på och av vidhäftningen av sina flageller till ytor – ett fenomen som först upptäcktes av fysiker vid Göttingen Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization. Dessa fynd är särskilt relevanta för utvecklingen av bioreaktorer där alger fungerar som en förnybar råvara för att producera biobränslen.

I vardagen, gröna alger tenderar att vara dåliga nyheter. I fuktigt väder, mikroskopiska encelliga alger bildar ett slemmigt lager på trädgårdsmöbler och husväggar; under varma somrar, de bildar ett avskum på ytan av trädgårdsdammar och vattenreningstankar. Men grönalger kan också vara till nytta. Sedan flera år tillbaka har alger odlats i bioreaktorer, i stora anläggningar som består av glasrör, att producera biobränslen. Dock, grönalger har en egenskap som gör denna process svår:att använda små hårstrån, känd som flagella, de fäster på ytor. I bioreaktorer, detta resulterar i att en grön biofilm bildas på glasrörens väggar. Som ett resultat, mindre ljus tränger in i reaktorn. Biofilmen minskar förmågan hos andra alger i reaktorn att utföra fotosyntes, vilket gör bioreaktorn mindre effektiv.

Chlamydomonas fastnar inte i rött ljus

En forskargrupp ledd av Oliver Bäumchen, en fysiker vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen, har nu gjort en upptäckt som kan öka effektiviteten hos bioreaktorer. "I experiment med gröna alger, vi fann att algerna är klibbiga och kan fästa på ytor endast under vissa ljusförhållanden, " säger Oliver Bäumchen.

Forskaren har varit fokuserad på mikroorganismers vidhäftningsegenskaper i många år. Han är främst intresserad av flageller och de mekanismer genom vilka dessa små hårliknande strukturer kan utöva förvånansvärt starka vidhäftningskrafter. Han och hans personal tog fram en exakt sensor för att mäta krafterna som är involverade:en ultratunn glasmikropipett som kan aspirera en enda grön algcell. Med hjälp av mikropipetten, de mäter kraften som behövs för att lossa en levande cell från en yta.

Chlamydomonas använder olika proteiner för att känna av ljus

Bäumchens doktorand, Christian Kreis, fann att algernas vidhäftning till ytor kan styras av ljus. Experimenterar med grönalgen Chlamydomonas, han fann att det konsekvent uppvisade en stark vidhäftningskraft endast under vitt ljus. Under rött ljus, cellerna fäste inte alls vid ytor. Det har länge varit känt att många mikroorganismer orienterar sig mot ljus och, till exempel, simma mot en ljuskälla. Dock, det var inte tidigare känt att grönalgens vidhäftningsmekanism kan slås på och av med ljus.

Kreis undersökte ljusresponsen närmare och fann att Chlamydomonas uteslutande fastnar på ytor när de utsätts för blått ljus. Algen använder ett antal speciella ljuskänsliga proteiner för att känna av ljuset. "Vi tror att ljusomkopplingsbar vidhäftning kan vara en produkt av evolution, " säger Christian Kreis. Till skillnad från marint växtplankton, dessa relaterade mikroorganismer lever vanligtvis i våta jordar där de ofta möter ytor. "Om dessa ytor utsätts för solljus, denna smarta mekanism gör att algerna kan haka på dem och börja utföra fotosyntes, " förklarar forskaren.

Alger med modifierade blåljusfotoreceptorer kanske inte bildar biofilmer

Detta fynd ger inte i sig ett sätt att förhindra algavlagringar från att bildas på bioreaktorernas glasväggar. Att bara utsätta bioreaktorer för rött ljus för att stänga av vidhäftningen fungerar inte, eftersom grönalger också kräver blått ljus för fotosyntesen. Oliver Bäumchen och Christian Kreis tar därför ett annat grepp. "Vi har nu samarbetat med mikrobiologer som har stor erfarenhet av grönalger, ", säger Bäumchen. "Vi planerar att studera celler där de olika blåljusfotoreceptorerna är blockerade för att ta reda på vilken av dessa fotoreceptorer som faktiskt är ansvarig för att utlösa de vidhäftande egenskaperna." Om alger med modifierade blåljusfotoreceptorer skulle kunna odlas i stora volymer, vi kanske kan använda dem i bioreaktorer utan irritationen av att biofilmer bildas på ytorna.

Oliver Bäumchens forskargrupp har fokuserat på omkopplingsbar vidhäftning av grönalger av flera anledningar:"Det är allmänt intressant att förstå fenomenet ytvidhäftning. När allt kommer omkring, vidhäftningskrafterna är enorma i förhållande till cellernas storlek, " säger Bäumchen. Han studerar också flageller eftersom deras konstruktionsprincip är nästan identisk med flimmerhåren i människokroppen, till exempel i lungorna.

Christian Kreis är också intresserad av sätt att förhindra bildandet av algbiofilmer. Han undersöker just nu om adhesion kan slås på och av med andra triggers än ljus, till exempel av ytor som bär svaga elektriska laddningar. "Biofilmer är besvärliga i många applikationer, " säger forskaren. "Om vi ​​kunde designa ytor på ett sådant sätt att de hindrar mikroorganismer att fastna på dem, det skulle vara en välsignelse för många tillämpningar inom medicin, bioteknik och kemiteknik."