Tảo silic là tảo đơn bào chủ yếu trong các môi trường thủy sinh. Chúng có thể sản xuất lượng lớn sinh khối và đáp ứng khoảng 20% sự cố định carbon toàn cầu (Roberts et al., 2007; Kroth et al., 2008). Tảo đạt được điều này bất chấp sự giới hạn CO2 trong đại dương bằng cách sử dụng các cơ chế tập trung CO2 (CCM, CO2
concentrating mechanism) để tăng nồng độ CO2 ổn định quanh Rubisco (Roberts et al., 2007). Pyrenoid, nằm trong stroma của lục lạp, chứa Rubisco, xuất hiện ở nhiều tảo biểu hiện CCM và được xem tương tự như carboxysome của vi khuẩn lam (Reven et al., 2008).
Con đường quang hợp của tảo silic đa dạng và có liên quan đến các cơ chế tập trung CO2 kết hợp. Ở Thalassiosira weissflogii có cả các hợp chất C3 (glycerate-P và triose-P) và C4 (chủ yếu malate) là sản phẩm đầu tiên, tuy nhiên Thalassiosira pseudonana tạo ra chủ yếu các hợp chất C3 và C6 (hexose-P). Điều này cho thấy, sự quang hợp trung gian C3-C4 ở Thalassiosira weissflogii, nhưng chỉ có quang hợp C3 ởThalassiosira pseudonana (Roberts et al., 2007; Raven et al., 2008).
M ậ t độ t ế bà o Thời gian nuôi cấy
Hình 1.5: Năm pha tăng trưởng của nuôi cấy vi tảo(Lavens and Sorgeloos, 1996). (1) Pha lag hay pha cảm ứng
(2) Pha log hay pha cấp số mũ (3) Pha giảm tốc độ tăng trưởng (4) Pha cân bằng hay pha ổn định (5) Pha suy vong
Mặc dù, tảo silic có vai trò quan trọng, nhưng ít được nghiên cứu về sinh lý hoặc sinh hóa so với các sinh vật quang hợp mô hình, và CCM của tảo silic vẫn chưa được hiểu rõ (Hopkinson et al., 2011).
Ái lực quang hợp của tảo silic đối với carbon vô cơ (Ci) là cao hơn nhiều so với giả thuyết dựa trên ái lực của Rubisco đối với CO2. Tảo silic nước mặn không bị giới hạn CO2 trong các điều kiện tự nhiên. Vì thế, chúng có các cơ chế tập trung CO2 hiệu quả, tuy nhiên, các cơ chế (C4 sinh hóa hoặc C4 sinh lý hoặc cả hai) vẫn chưa rõ (Kroth et al., 2008).
Các nghiên cứu sinh hóa của quang hợp ở Thalassiosira weissflogii cho thấy, một con đường dạng C4 có thể tồn tại, do đó một hợp chất C4 như malate hoặc OAA được khử carboxyl, điển hình trong lục lạp, để phân phát CO2 đến Rubisco. Dựa trên phân tích in silico của thành phần gene, khả năng có một con đường C4 ở loài Thalassiosira pseudonana (Kroth et al., 2008).
Ở Phaeodactylum tricornutum, enzyme PPDK xúc tác cho sự hình thành PEP trong lục lạp (hình 1.6). Hai enzyme PEPC, PEPC1 giống với PEPC của tảo lục và thực vật bậc cao với đích ở lưới nội chất (ER - endoplasmatic reticulum) hoặc không gian màng của lục lạp, PEPC2 tương tự của vi khuẩn với đích ở ty thể. Sự khử carboxyl của OAA xảy ra nhờ một PEPCK nằm trong ty thể. Trong ty thể của
P. tricornutum và T. pseudonana có hai enzyme khử carboxyl thuộc họ enzyme malic phụ thuộc NAD hoặc NADP là ME1 và MDH (malate dehydrogenase), một pyruvate kinase (PK) và một pyruvate carboxylase (PYC1). Các cơ chất riêng rẽ cho con đường này có thể được vận chuyển vào ty thể bằng một chất vận chuyển oxoglutarate/malate ty thể (hình 1.6) (Kroth et al., 2008).
Con đường cố định carbon dạng C4 có hoạt động ở P. tricornutum (hình 1.6). Bước đầu tiên của sự cố định carbon là sự vận chuyển HCO3- vào tế bào qua chất vận chuyển đặc hiệu hoặc sự khuếch tán CO2 và sau đó biến đổi thành HCO3- thông qua hoạt tính của CA (carbonic anhydrase). Sự định vị của PEPC1 trong ER hoặc một phần của ER liền kết với lục lạp (CER, chloroplast endoplasmatic reticulum)
hoặc khoảng giữa hai màng của lục lạp (PPS, periplastdic space) cho thấy, sự cố định HCO3- tiếp theo thành hợp chất C4 có thể xảy ra trong ER hoặc không gian màng lục lạp. Sự định vị của quá trình khử carboxyl C4 để phân phát CO2 đến Rubisco cho quá trình cốđịnh là không rõ (Kroth et al., 2008).
Các phân tích in silico của cả P. tricornutum và T. pseudonana cho thấy, các enzyme khử carboxyl PEPCK và enzyme malic không có các trình tựđích ở lục lạp. Hơn nữa, cũng có bằng chứng, các chất vận chuyển của malate và (hoặc) oxaloacetate không nằm trên các màng của lục lạp. Các kết quả này cho thấy, các bước khử carboxyl tiếp theo để tạo ra CO2 phân phát đến Rubisco, (ít nhất ở P. tricornutum và T. pseudonana) không xảy ra ở lục lạp (hình 1.6) (Kroth et al., 2008).
Các tế bào đơn ở mô giậu của hai loài thực vật bậc cao Bienertia cycloptera và
Borszczowia aralocaspica có một sự phân chia ngăn đối với sự sản sinh CO2 từ sự khử carboxyl các hợp chất C4 và sự cố định CO2 tiếp theo bởi Rubisco. Trong các tế bào này, PPDK nằm trong lục lạp biến đổi pyruvate thành PEP. PEP sau đó được chuyển đến tế bào chất và được carboxyl hóa (sử dụng HCO3-) qua PEPC. Các acid C4 được tạo ra khuếch tán vào phần gần nhất của tế bào mà chúng được khử carboxyl trong ty thể bởi enzyme NAD – malic. CO2 tạo ra có thể vào các lục lạp và được bắt bởi Rubisco (Kroth et al., 2008).
Ở tảo silic, sự khử carboxyl của malate để tạo ra CO2 có thể xảy ra trong ty thể thường liên kết chặt chẽ với lục lạp. Bất kỳ phân tử CO2 nào được giải phóng từ ty thể có thể đi qua sáu màng để vào stroma của lục lạp. Hơn nữa, CO2 có thể được biến đổi thành HCO3- bởi hoạt tính của CA trong quá trình di chuyển giữa ty thể và lục lạp, do đó giảm một phần nhỏ nồng độ CO2. Trong trường hợp này, con đường C4 sẽ trở thành một con đường vô ích, HCO3-được cốđịnh đầu tiên và sau đó được hình thành trở lại. Vì vậy, hao tốn ATP cho sự hình thành PEP (Kroth et al., 2008).
Cả hai enzyme PEPCK và enzyme malic có thể cùng góp phần vào sự khử carboxyl của acid – C4 ở tảo silic. Ở một số thực vật bậc cao có biểu hiện biến
dưỡng C4, pyruvate được hình thành bởi sự khử carboxyl malate, sử dụng enzyme NAD – malic, có thể được sử dụng cho tổng hợp amino acid hay hình thành oxaloacetate, do đó bổ sung thêm các nhóm acid – C4. Oxaloacetate cũng có thể bị oxi hóa trong chu trình TCA. Sự khử carboxyl của OAA bởi PEPCK tạo ra PEP có thể được sử dụng cho tổng hợp glucose hoặc được chuyển thành pyruvate bởi pyruvate kinase (hình 1.6) (Kroth et al., 2008).
Pyruvate được phosphoryl hóa bên trong lục lạp tạo ra PEP có thể được sử dụng để tạo ra amino acid thơm (con đường Shikimate) và lipid hoặc có thểđược xuất ra để cung cấp phân tử chất nhận cho sự cố định HCO3- bởi PEPC (hình 1.6). Ở P. tricornutum và T. pseudonana, PEP có thể được xuất ra từ lục lạp và carboxyl hóa tại ER/CER/PPS bởi PEPC1 dẫn đến sự vi phân chia ngăn của enzyme này trên các màng ngoài của lục lạp (Kroth et al., 2008).
ỞP. tricornutum, CA được định vị trong lục lạp. Tuy nhiên, CA cũng được định vị trên các thylakoid hình thành nên các hạt gần với lamen nối và sự biểu hiện của nó được tăng cường mạnh mẽ trong điều kiện giới hạn CO2 bởi một cơ chế liên quan đến cAMP. Một CA khác có thể nằm trong ER hoặc không gian chu chất và được biểu hiện ngay cả khi nồng độ CO2 cao. Sự hiện diện của các chất vận chuyển HCO3- trên màng lục lạp (hình 1.6) phù hợp với hoạt động của một CCM sinh lý nhưng không cần thiết đối với một CCM dạng C4, mà sự cố định HCO3- đầu tiên xảy ra bên ngoài lục lạp. Cuối cùng, sự hấp thu carbon vô cơđược tăng cường, cả khi CO2 hoặc HCO3- sẽ phù hợp với cả hai kiểu CCM, trong đó tăng nồng độ Ci trong tế bào phù hợp hơn với CCM sinh lý (Kroth et al., 2008).
Tóm lại, con đường C4 hoạt động ở tảo silic (hình 1.6) đòi hỏi sự tách biệt về không gian giữa sự tạo CO2 qua quá trình khử carboxyl của OAA và malate trong ty thể, và sử dụng CO2 bởi Rubisco trong lục lạp. Hơn nữa, sự định vị của bước carboxyl đầu tiên bởi PEPC vẫn còn chưa rõ ràng. Sự tiêu hao năng lượng của một chu trình vô ích làm tăng khả năng biến dưỡng C4 có thể giúp tế bào tiêu hao năng lượng ánh sáng dư thừa (Kroth et al., 2008).