Aerobic anoxygenic photosynthesis in Sphingomonas glacialis strain S2U11 – how and why?

Abstract

Aerobiset happea tuottamattomat fotosyntetisoivat (AAP, aerobic anoxygenic photosynthetic) bakteerit ovat heterogeeninen bakteerien ryhmä, joilla on bakteeriklorofylli (BChl) a:han perustuva fotosynteesikoneisto, ja jotka kykenevät fotosynteesin hapellisissa olosuhteissa. AAP-bakteereita ei ole alettu tutkia aktiivisesti kuin vasta hyvin äskettäin, ja erityisesti niiden kyvystä käyttää fotosynteesiä, ei tiedetä paljoa. Tämän tutkimuksen keskiössä oli selvittää, mitä olosuhteita vaaditaan joko BChl a:n, sekä vähemmissä määrin β-karoteenien, tuottamisen induktioon tai inhibitioon Sphingomonas glacialis-bakteerilajin kannassa S2U11. Tavoitteena oli myös tutkia BChl- ja karoteenituotantojen välistä, sekä bakteerikasvun välistä mahdollista suhdetta. Fyysisten olosuhdevaatimusten selvittämiseksi S2U11-kantaa kasvatettiin eri kasvuolosuhteissa (ravinnemieltymykset, sekä plankton vai biofilmi-kasvutapamieltymys), mukaan lukien pH (5.9, 6.5 ja 7.0). Valovaatimusten selvittämiseksi S2U11-kantaa kasvatettiin eri näkyvän valon ja lähi-infrapunavalon (NIR) valoaallonpituuksia käyttäen tai pimeässä, sekä jatkuvassa valossa että valo-pimeäsykliä käyttäen. Tulosten analyysi pohjautui mitattuihin absorbanssispektreihin sekä absorbanssien maksimiarvojen keskiarvoihin perustuviin histogrammeihin. S2U11 kykenee käyttämään BChl-tuotannossa eri ravinneyhdistelmiä, ja suosii kasvutapana biofilmiä. BChl:n tuotanto oli tehokkainta pH:ssa 5.9. Valo-olosuhteista BChl:n tuotanto indusoitui parhaiten pimeässä tai NIR-aallonpituuksien valossa, ja on tehokkainta valo-pimeäsykliä käyttämällä. Näkyvän valon aallonpituuksilla vaikutti olevan inhiboiva vaikutus BChl-tuotantoon, joko foto-oksidatiivisen vahingon tai valoreseptoreiden aiheuttaman säätelyn johdosta. Tutkimuksen johtopäätelmät antaisivat ymmärtää, että S. glacialis-kanta S2U11 on, itse asiassa, AAP-bakteeri perustuen sen BChl:n tuotannon ilmentämiin tunnuspiirteisiin. Lisäksi olisi olemassa osoitusta sen puolesta, että AAP-bakteerit käyttäisivät fotosynteesiä avustavassa tarkoituksessa oligotrofisissa olosuhteissa (NIR) valon läsnä ollessa, ja jonka säätelystä vastaavat pääsääntöisesti kyseisen bakteerin monipuolinen valikoima valoreseptoreita.

Aerobic anoxygenic photosynthetic (AAP) bacteria are heterogeneous group of bacteria that possess bacteriochlorophyll (BChl) a-based photosynthesis machinery, and are capable of photosynthesis in the presence of oxygen. The AAPs have not been studied in earnest until relatively recently and much, especially concerning their photosynthesis ability, is still not known. The focus of this study was to explore the conditions that are required to induce or inhibit BChl a, and to a lesser degree, β-carotenes production in the bacterial species Sphingomonas glacialis strain S2U11. The possible relationship between BChl and carotenes production, and bacterial biomass production, was also assessed. As regards of physical conditions requirements, the S2U11 strain was tested for growth medium (nutrient preference, and plankton versus biofilm), and pH (5.9, 6.5, and 7.0). As regards of light requirements, the S2U11 were grown under a variety of wavelengths from the visible spectra and from the near-infrared (NIR) region, or in darkness, under continuous light, or under a light-dark cycle. The analysis of the results was based on acquired absorption spectra, and histograms of averaged sample absorption maxima values. The S2U11 are able to utilize a variety of nutrient sources for BChl production with varying success, and prefer to grow as biofilm. BChl production was most efficient in pH 5.9. The S2U11 bacteria showed best BChl production levels in darkness, or in light from the near-infrared (NIR) region of the spectra. The BChl production was its most efficient under a light-dark cycle. Light from the visible region of the spectra seemed to inhibit BChl production, either through photo-oxidative damage, or because of the regulation by photoreceptors. In conclusion, the results indicated that S. glacialis strain S2U11 is, indeed, an AAP bacterium as evident by the characteristics of their BChl production. There also exists indication that AAP bacteria utilize photosynthesis as an auxiliary strategy in oligotrophic conditions in the presence of (NIR) light, and that the photosynthesis is mainly regulated by the photoreceptor repertoire of the bacteria.