A Chlamydomonas-fajok világszerte elterjedtek a talajban és a C. reinhardtii az egyik leggyakoribb és a legelterjedtebb.[1] Jól tanulmányozott modellszervezet részben könnyű tenyészthetősége és a genommódosítás könnyűsége miatt. Fény hatására fotoautotróf módon nőhet, de sötétben is élhet szerves vegyületek mellett. A kereskedelemben a biogyógyszerek és -üzemanyag előállításában használatos, de kutatják a hidrogén-előállításban is.
Sejtjei többnyire gömbölyűek, de lehetnek ellipszoidok, ovoidok, obovoidok vagy aszimmetrikusak. 10–22 μm hosszúak és 8–22 μm szélesek. Sejtfaluk vékony és papilla nélküli, ostoraik hossza a sejttestének 1,5–2-szerese. Alul 1 pohár alakú kloroplasztiszuk van egy alapi helyzetű pirenoiddal.[1]
Szemfoltja a páncélos ostorosokéhoz hasonló.[6] A szemfolt a sejt hosszanti tengelye közelében van, és karotinoidgazdag fényvisszaverő szemcserétegből áll a kloroplasztiszban.[7] Fő funkciója az ostorok fénystimulussal kapcsolatos mozgásából álló fototaxis.[8] Ez fontos a zöldmoszatnak, és lehetővé teszi a fotoszintézishez megfelelően világos környezet elhelyezését.[9] Ez a fényintenzitástól függően lehet pozitív vagy negatív.[6] A fototaktikus út 4 lépésből áll, melyek a két ostor (a szemfolthoz közelebbi cisz- és a távolabbi transz-ostor) verésének egyensúlyát befolyásolják.[8]
A C. reinhardtii a sejt- és molekuláris biológia alapvető kérdéseinek, például a citokinezis, a fototaxis, a sejtfelismerés, a szabályos ismétlődő ostormozdulatok, a proteomszabályzással történő ostorhossz-szabályzás és az ásványitápanyag-mennyiség megváltozására való válaszok módjának kiderítéséhez használt modellszervezet.
Számos ismert mutánsa van, ezek hasznosak számos biológiai folyamat, például az ostormozgás, a fotoszintézis és a fehérjeszintézis vizsgálatában. A Chlamydomonas-fajok általában haploidok, így a hatások további keresztezés nélkül láthatók.
A C. reinhardtii genomja fontos a mitokondriumok tanulmányozásában, mivel a mitokondriumokhoz kódolt 13 fehérjéből 6 génjei a sejtmagban vannak, 7-éi a mitokondriumban.[14] A Chlorophyceae osztályon kívüli fajokban e gének csak a mitokondriumokban vannak jelen, és nem expresszálhatók allotópan. Ez fontos a genetikai mitokondriális betegségek terápiájának fejlesztésében.
Vegetatív sejtjei haploidak 17 kis kromoszómával. Nitrogénhiány esetén haploid ivarsejtekké alakulnak.[15] Két azonos megjelenésű ivarsejttípus van, így izogám, ezek az mt(+) és az mt(–), ezek diploid zigótává egyesülhetnek. A zigóta nem rendelkezik ostorral, és a faj talajlakó nyugalmi formája. Fény hatására meiózison megy át, és 4 ostoros haploid sejtet bocsát ki, melyek folytatják a vegetatív életciklust.
Ideális körülmények közt a sejtek 2–3 mitózison eshetnek át, mielőtt az utódsejtek az előző sejtfalból kikerülnek, így egy növekedési lépés 4 vagy 8 leánysejtet adhat anyasejtenként.
Sejtciklusa váltakozó fény-sötétség időszakokkal szinkronizálható. Növekedési fázisa fényfüggő, de egy átmeneti ponton túl a folyamatok fényfüggetlenek.[16]
Modellszervezetként való használata nőtt számos genomikai erőforrás kiadásával. A magi genom az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma Genomintézete által összeállított Chlre3 vázlata 1557, összesen 120 Mbp hosszú scaffoldból áll. Ennek felét legalább 24, egyenként 1,6 Mbp hosszú tartalmazza. A genom az interneten elérhető.[17]
A 15,8 kbp körüli mitokondriális genom NC_001638,[18] a 203,8 kbp körüli kloroplasztiszgenom NC_005353 azonosítóval érhető el az NCBI adatbázisában.[19][20]
A genomszekvencia-adatok mellett sok cDNS-könyvtárként vagy expresszált szekvenciajelölőként elérhető expressziószekvencia-adat is létezik. 7 cDNS-könyvtár érhető el interneten.[21] Egy BAC-könyvtár a Clemson Egyetem Genomikai Intézetétől megvásárolható.[22] Van egy több mint 50 000[23] és egy több mint 160 000 EST-s internetes könyvtár is.[24]
Egy egész genomra kiterjedő, a legtöbb magi gént lefedő inzertációhelyekkel rendelkező mutánskészlet is elérhető a chlamylibrary.org oldalon.[25][26]
Genomja N6-metiladenozint (m6A) tartalmaz, ez prokariótákban gyakori, eukariótákban ritka.[27] Egyes kutatások szerint helyük a nukleoszómahelyekben fontos, mert a nukleoszómák közti kapcsolóhelyekben és az aktívan átírt gének transzkripciója kezdete helyein vannak.[28]
Több DNS-javítási folyamatra képes lehet.[29] Ilyenek például a homológ rekombináció, a száltörésjavítás és az eltávolításos javítás. A kloroplasztisz kettősszál-töréseket hatékonyan javító rendszerrel rendelkezik.[30] A homológ rekombinációt a kettősszál-törések stimulálják.[30]
Az evolúciós biológia és ökológia különböző szempontjai tanulmányozására használják rövid nemzedékei, autotróf és fakultatív heterotróf életmódja, ivaros és ivartalan szaporodásra való képessége és az elérhető genetikai információk miatt.
Néhány vizsgált kérdés például az ivaros szaporodás evolúciója,[31] a mutációk hatása a rátermettségre[32] és az adaptáció különböző CO2-szintekhez.[33]
Egy hipotézis szerint[34] az ivaros szaporodás az ivartalannal szemben aktívan fennmarad a jó környezetekben, mert a mutációs terhet a különböző ágakból való mutációkombináció révén csökkenti, növelve az átlagos rátermettséget. Azonban a C. reinhardtii hosszú távú kísérleti kutatása ennek ellentmondott: az ivarosan szaporodó egyedekben nem volt mutációs tisztulás, és nem nőtt a rátermettség.[35]
Többsejtű palmelloid kolóniákat alkothat, és egyes kutatások szerint az egy- és többsejtű állapot váltakozhat.[36]
A C. reinhardtii két ostora révén[37] az emberi mellúszáshoz hasonlóan úszik. E mozgást másodpercenként 50-szer ismételve átlagsebessége 70 μm/s;[38] a különböző törzsek genetikai diverzitása miatt széles a sebességtartomány. Néhány másodperc után a két ostor aszinkron verése véletlenszerű irányváltozást okoz, ez a „run and tumble”.[37] Hosszabb időben és nagyobb térben e véletlen mozgás aktív diffúzióként írható le.[39]
A géntranszformáció a kloroplasztiszban főleg homológ, míg a magban főleg heterológ rekombinációval történik. A C. reinhardtii kloroplasztiszgenomja mikrorészecske-bombázással vagy üveggyöngymódszerrel transzformálható, ez utóbbi módszer sokkal kevésbé hatékony. A magi genomot üveggyöngymódszerrel és elektroporációval is transzformálták. A biolisztikus folyamat a ptDNS-be való DNS-juttatás leghatékonyabb módja, feltehetően mert a plasztisz a sejt felét elfoglalja, nagy célpontot adva a kis részecskének. Az elektroporáció a leghatékonyabb ismert mód a DNS magi genomba juttatására, maximális transzformációs frekvenciái az üveggyöngymódszeréinél 100-szor nagyobbak.[40]
A C. reinhardtii új algaalapú tápanyagforrás lehet. A Chlorella és Spirulina fajainál több α-linolénsavat és kevesebb nehézfémet tartalmaz, minden esszenciális aminosav jelen van benne, fehérjetartalmuk hasonló.[45] A Triton Algae Innovations alternatív fehérjeforrást fejlesztett a C. reinhardtiiból.
1939-ben a Chicagói Egyetemen dolgozó német Hans Gaffron felfedezte az egysejtű zöldmoszatok hidrogén-anyagcseréjét. A C. reinhardtii és néhány más zöldmoszat bizonyos körülmények közt képes leállítani az oxigén- és elindítani a hidrogéntermelést. E csak oxigénhiány mellett működő hidrogenázzal történő reakció rövid életű. A következő 30 évben Gaffron et al. a fotoszintetikus hidrogéntermelés alapjait dolgozták ki.[46]
A hidrogéntermelés növeléséhez az alábbi utakat követték kutatók:
Az első a hidrogenáz leválasztása a fotoszintézisről. Így az oxigénszint-növekedés nem tudja a hidrogéntermelést gátolni. A hidrogenáz szerkezete megváltoztatásával érzéketlenné tehető az oxigénre, lehetővé téve a folyamatos hidrogéntermelést. Ez esetben az elektronáramlás nem a cukortermelésből származik, hanem a saját keményítő bontásából.[47]
A második a fotoszintézis a hidrogenáz genetikai módosításával való leállítása. Ez megakadályozza a hidrogéntermelés oxigénkoncentráció-emelkedés miatti leállását.[48]
A harmadik, melyet elsősorban az 1950-es években vizsgáltak, az algák fotoszintézise által termelt oxigén kémiai vagy mechanikai eltávolítása például oxigéneltávolító anyagokkal vagy további redukálószerekkel, vagy az inert gázokkal való tenyészettisztítás.[49] Ezek azonban nem skálázhatók, és nem alkalmazhatók az alkalmazott rendszerekben. Az újabb kutatások azonban e módszert skálázhatóvá tehették új oxigéneltávolítási módokkal.
A negyedik a hidrogenáz oxigéntermeléstől való elkülönítése rézsókkal.[50]
Az ötödik a fotoszintetikus elektronáramlás a Calvin-ciklusban való CO2-kötésről a hidrogenázra való átirányítása rövid fényimpulzusok anaerob algákra való irányításával[51] vagy a CO2-szint csökkentésével.[52]
↑ abEttl, H.. Chlorophyta. 1. Teil / Part 1: Phytomonadina, Süßwasserflora von Mitteleuropa. VEB Gustav Fischer Verlag, XIV + 808. o. (1983). ISBN 978-3-8274-2659-8
↑CC-125 wild type mt+ 137c. Chlamydomonas Center core collection list. [2009. július 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2009. március 9.)
↑ abUeki, Noriko (2016). „Eyespot-dependent determination of the phototactic sign in Chlamydomonas reinhardtii”. Proceedings of the National Academy of Sciences113 (19), 5299–5304. o. DOI:10.1073/pnas.1525538113. PMID27122315. PMC4868408.
↑Foster KW, Smyth RD (1980). „Light Antennas in phototactic algae”. Microbiological reviews44 (4), 572–630. o.
↑ abHegemann P, Berthold P.szerk.: Stern D, Witman G: Sensory photoreceptors and light control of flagellar activity, The Chlamydomonas Sourcebook, 2., Oxford: Academic, 395–430. o. (2009). ISBN 9780123708731
↑Demmig-Adams, B. (1992). „Photoprotection and Other Responses of Plants to High Light Stress”. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology43, 599–626. o. DOI:10.1146/annurev.pp.43.060192.003123.
↑Merchant SS, Prochnik SE, Vallon O, Harris EH, Karpowicz SJ, Witman GB, Terry A, Salamov A, Fritz-Laylin LK, Marechal-Drouard L, Marshall WF, Qu L-H, Nelson DR, Sanderfoot AA, Spalding MH, Kapitonov VV, Ren Q, Ferris P, Lindquist E, Shapiro H, Lucas SM, Grimwood J, Schmutz J, Cardol P, Cerutti H, Chanfreau G, Chen C-L, Cognat V, Croft MT, Dent R (2007). „The Chlamydomonas Genome Reveals the Evolution of Key Animal and Plant Functions”. Science318 (5848), 245–250. o. DOI:10.1126/science.1143609. PMID17932292. PMC2875087.
↑Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M (2002. június 28.). „Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae”. Science296 (5577), 2395–2398. o. DOI:10.1126/science.1072068. PMID12089443.
↑Lagali PS, Balya D, Awatramani GB, Münch TA, Kim DS, Busskamp V, Cepko CL, Roska B (2008. június 1.). „Light-activated channels targeted to ON bipolar cells restore visual function in retinal degeneration”. Nature Neuroscience11 (6), 667–675. o. DOI:10.1038/nn.2117. PMID18432197.
↑Boyden ES (2011. május 3.). „A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light”. F1000 Biology Reports3 (11), 11. o. DOI:10.3410/B3-11. PMID21876722. PMC3155186.
↑Sager R, Granick S (1954. július 1.). „Nutritional control of sexuality in Chlamydomonas reinhardi”. J. Gen. Physiol.37 (6), 729–742. o. DOI:10.1085/jgp.37.6.729. PMID13174779. PMC2147466.
↑Fu Y, Luo G-Z, Chen K, Deng X, Yu M, Han D, Hao Z, Liu J, Lu X, Doré LC, Weng X, Ji Q, Mets L, He C (2015. május 1.). „N6-Methyldeoxyadenosine Marks Active Transcription Start Sites in Chlamydomonas”. Cell161 (4), 879–892. o. DOI:10.1016/j.cell.2015.04.010. PMID25936837. PMC4427561.
↑Vlcek D, Sevcovicová A, Sviezená B, Gálová E, Miadoková E (2007. november 9.). „Chlamydomonas reinhardtii: a convenient model system for the study of DNA repair in photoautotrophic eukaryotes”. Curr Genet53 (1), 1–22. o. DOI:10.1007/s00294-007-0163-9. PMID17992532.
↑ abDürrenberger F, Thompson AJ, Herrin DL, Rochaix JD (1996. szeptember 1.). „Double strand break-induced recombination in Chlamydomonas reinhardtii chloroplasts”. Nucleic Acids Res24 (17), 3323–3331. o. DOI:10.1093/nar/24.17.3323. PMID8811085. PMC146090.
↑De Visser et al (1996). „The effect of sex and deleterious mutations on fitness in Chlamydomonas”. Proc R Soc Lond B263, 193–200. o.
↑Collins S, Bell G (2004). „Phenotypic consequences of 1,000 generations of selection at elevated CO2 in a green alga”. Nature431 (7008), 566–569. o. DOI:10.1038/nature02945. PMID15457260.
↑Kondrashov AS (1984. október 1.). „Deleterious mutations as an evolutionary factor”. Genet. Res.44 (2), 199–217. o. DOI:10.1017/s0016672300026392. PMID6510714.
↑Demurtas OC, Massa S, Ferrante P, Venuti A, Franconi R et al. (2013). „A Chlamydomonas-Derived Human Papillomavirus 16 E7 Vaccine Induces Specific Tumor Protection”. PLoS One8 (4), e61473. o. DOI:10.1371/journal.pone.0061473. PMID23626690. PMC3634004.
↑Cournac L, Musa F, Bernarda L, Guedeneya G, Vignaisb P, Peltie G (2002). „Limiting steps of hydrogen production in Chlamydomonas reinhardtii and Synechocystis PCC 6803 as analysed by light-induced gas exchange transients”. International Journal of Hydrogen Energy27 (11/12), 1229–1237. o. DOI:10.1016/S0360-3199(02)00105-2.
↑Kosourov S, Tsyganov A, Seibert M, Ghirardi M (2002. június 1.). „Sustained Hydrogen Photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii: Effects of Culture Parameters”. Biotechnol. Bioeng.78 (7), 731–40. o. DOI:10.1002/bit.10254. PMID12001165.
↑Fernandez VM, Rua ML, Reyes P, Cammack R, Hatchikian EC (1989. november 1.). „Inhibition of Desulfovibrio gigas hydrogenase with copper salts and other metal ions”. Eur. J. Biochem.185 (2), 449–454. o. DOI:10.1111/j.1432-1033.1989.tb15135.x. PMID2555191.
↑Kosourov S, Jokel M, Aro E-M, Allahverdiyeva Y (2018. március 1.). „A new approach for sustained and efficient H2 photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii”. Energy & Environmental Science11 (6), 1431–1436. o. DOI:10.1039/C8EE00054A.
↑Nagy V, Podmaniczki A, Vidal-Meireles A, Tengölics R, Kovács L, Rákhely G, Scoma A, Tóth Sz (2018. március 1.). „Water-splitting-based, sustainable and efficient H2 production in green algae as achieved by substrate limitation of the Calvin–Benson–Bassham cycle”. Biotechnology for Biofuels11, 69. o. DOI:10.1186/s13068-018-1069-0. PMID29560024. PMC5858145.
Aoyama H, Kuroiwa T, Nakamura S (2009). „The dynamic behaviour of mitochondria in living zygotes during maturation and meiosis in Chlamydomonas reinhardtii”. Eur J Phycol44, 497–507. o. DOI:10.1080/09670260903272599.
Jamers A, Lenjou M, Deraedt P, van Bockstaele D, Blust R, de Coen W (2009). „Flow cytometric analysis of the cadmium-exposed green algae Chlamydomonas reinhadtii (Chlorophyceae)”. Eur J Phycol44, 541–550. o. DOI:10.1080/09670260903118214.
The Chlamydomonas Resource Center – központi tárhely magas minőségű és megbízható Chlamydomonas reinhardtii-tenyészetek, valamint hasznos molekuláris reagensek és készletek katalogizálására, megőrzésére és szállítására