Published January 6, 2023
| Version v1
Publication
Open
Dark fermentative hydrogen production and transcriptional analysis of genes involved in the unicellular halotolerant cyanobacterium Aphanothece halophytica under nitrogen and potassium deprivation
- 1. King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang
- 2. Chulalongkorn University
- 3. The Royal College Of Anesthesiologists Of Thailand
Description
The unicellular halotolerant cyanobacterium Aphanothece halophytica is known as a potential hydrogen (H2) producer. This study aimed to investigate the enhancement of H2 production under nutrient deprivation. The results showed that nitrogen and potassium deprivation induced dark fermentative H2 production by A. halophytica, while no differences in H2 production were found under sulfur and phosphorus deprivation. In addition, deprivation of nitrogen and potassium resulted in the highest H2 production in A. halophytica due to the stimulation of hydrogenase activity. The effect of adaptation time under nitrogen and potassium deprivation on H2 production was investigated. The results showed that the highest H2 accumulation of 1,261.96 ± 96.99 µmol H2 g dry wt-1 and maximum hydrogenase activity of 179.39 ± 8.18 µmol H2 g dry wt-1 min-1 were obtained from A. halophytica cells adapted in the nitrogen- and potassium-deprived BG11 medium supplemented with Turk Island salt solution (BG110-K) for 48 h. An increase in hydrogenase activity was attributed to the decreased O2 concentration in the system, due to a reduction of photosynthetic O2 evolution rate and a promotion of dark respiration rate. Moreover, nitrogen and potassium deprivation stimulated glycogen accumulation and decreased specific activity of pyruvate kinase. Transcriptional analysis of genes involved in H2 metabolism using RNA-seq confirmed the above results. Several genes involved in glycogen biosynthesis (glgA, glgB, and glgP) were upregulated under both nitrogen and potassium deprivation, but genes regulating enzymes in the glycolytic pathway were downregulated, especially pyk encoding pyruvate kinase. Interestingly, genes involved in the oxidative pentose phosphate pathway (OPP) were upregulated. Thus, OPP became the favored pathway for glycogen catabolism and the generation of reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), which resulted in an increase in H2 production under dark anaerobic condition in both nitrogen- and potassium-deprived cells.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تُعرف البكتيريا الزرقاء أحادية الخلية والمتسامحة مع الهالوجين Aphanothece halophytica بأنها منتج محتمل للهيدروجين (H2). تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في تعزيز إنتاج H2 في ظل الحرمان من المغذيات. أظهرت النتائج أن الحرمان من النيتروجين والبوتاسيوم أدى إلى إنتاج H2 التخمر الداكن بواسطة A. halophytica، في حين لم يتم العثور على اختلافات في إنتاج H2 تحت الحرمان من الكبريت والفوسفور. بالإضافة إلى ذلك، أدى الحرمان من النيتروجين والبوتاسيوم إلى أعلى إنتاج H2 في A. halophytica بسبب تحفيز نشاط إنزيم الهيدروجين. تم التحقيق في تأثير وقت التكيف تحت الحرمان من النيتروجين والبوتاسيوم على إنتاج H2. وأظهرت النتائج أن أعلى تراكم H2 قدره 1،261.96 ± 96.99 ميكرومول H2 g dry wt -1 والحد الأقصى لنشاط الهيدروجينيز 179.39 ± 8.18 ميكرومول H2 g dry wt -1 min -1 تم الحصول عليها من خلايا أ. هالوفيتيكا المتكيفة في وسط BG11 المحروم من النيتروجين والبوتاسيوم المكمل بمحلول ملح جزيرة ترك (BG110 - K) لمدة 48 ساعة. تعزى الزيادة في نشاط إنزيم الهيدروجين إلى انخفاض تركيز الأكسجين في النظام، بسبب انخفاض معدل تطور الأكسجين الضوئي وتعزيز معدل التنفس المظلم. علاوة على ذلك، حفز الحرمان من النيتروجين والبوتاسيوم تراكم الجليكوجين وقلل من النشاط المحدد لكيناز البيروفات. أكد التحليل النسخي للجينات المشاركة في استقلاب H2 باستخدام RNA - seq النتائج المذكورة أعلاه. تم تنظيم العديد من الجينات المشاركة في التخليق الحيوي للجليكوجين (glgA و glgB و glgP) تحت كل من الحرمان من النيتروجين والبوتاسيوم، ولكن تم تنظيم الجينات التي تنظم الإنزيمات في مسار تحلل السكر، وخاصة كيناز بيروفات ترميز بيك. ومن المثير للاهتمام أن الجينات المشاركة في مسار فوسفات البنتوز المؤكسد (OPP) قد تم تنظيمها. وهكذا، أصبح OPP المسار المفضل لهدم الجليكوجين وتوليد فوسفات ثنائي النوكليوتيد الأدينين منخفض النيكوتيناميد (NADPH)، مما أدى إلى زيادة في إنتاج H2 في ظل الظروف اللاهوائية المظلمة في كل من الخلايا المحرومة من النيتروجين والبوتاسيوم.Translated Description (French)
La cyanobactérie halotolérante unicellulaire Aphanothece halophytica est connue comme un producteur potentiel d'hydrogène (H2). Cette étude visait à étudier l'amélioration de la production de H2 en cas de privation de nutriments. Les résultats ont montré que la privation d'azote et de potassium induisait une production de H2 fermentaire sombre par A. halophytica, alors qu'aucune différence dans la production de H2 n'a été trouvée sous la privation de soufre et de phosphore. De plus, la privation d'azote et de potassium a entraîné la production de H2 la plus élevée chez A. halophytica en raison de la stimulation de l'activité hydrogénase. L'effet du temps d'adaptation sous privation d'azote et de potassium sur la production d'H2 a été étudié. Les résultats ont montré que l'accumulation de H2 la plus élevée de 1 261,96 ± 96,99 µmol H2 g poids sec-1 et l'activité hydrogénase maximale de 179,39 ± 8,18 µmol H2 g poids sec-1 min-1 ont été obtenues à partir de cellules d'A. halophytica adaptées dans le milieu BG11 privé d'azote et de potassium supplémenté avec une solution de sel de Turk Island (BG110-K) pendant 48 h. Une augmentation de l'activité de l'hydrogénase a été attribuée à la diminution de la concentration d'O2 dans le système, en raison d'une réduction du taux d'évolution de l'O2 photosynthétique et d'une promotion du taux de respiration sombre. De plus, la privation d'azote et de potassium a stimulé l'accumulation de glycogène et diminué l'activité spécifique de la pyruvate kinase. L'analyse transcriptionnelle des gènes impliqués dans le métabolisme H2 à l'aide de RNA-seq a confirmé les résultats ci-dessus. Plusieurs gènes impliqués dans la biosynthèse du glycogène (glgA, glgB et glgP) ont été régulés à la hausse à la fois par la privation d'azote et de potassium, mais les gènes régulant les enzymes dans la voie glycolytique ont été régulés à la baisse, en particulier pyk codant pour la pyruvate kinase. Fait intéressant, les gènes impliqués dans la voie du pentose phosphate oxydatif (OPP) étaient régulés à la hausse. Ainsi, l'OPP est devenue la voie privilégiée pour le catabolisme du glycogène et la génération de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate réduit (NADPH), ce qui a entraîné une augmentation de la production de H2 dans des conditions anaérobies sombres dans les cellules privées d'azote et de potassium.Translated Description (Spanish)
La cianobacteria unicelular halotolerante Aphanothece halophytica se conoce como un productor potencial de hidrógeno (H2). Este estudio tuvo como objetivo investigar la mejora de la producción de H2 bajo privación de nutrientes. Los resultados mostraron que la privación de nitrógeno y potasio indujo la producción fermentativa oscura de H2 por A. halophytica, mientras que no se encontraron diferencias en la producción de H2 bajo la privación de azufre y fósforo. Además, la privación de nitrógeno y potasio resultó en la mayor producción de H2 en A. halophytica debido a la estimulación de la actividad de la hidrogenasa. Se investigó el efecto del tiempo de adaptación bajo privación de nitrógeno y potasio sobre la producción de H2. Los resultados mostraron que la mayor acumulación de H2 de 1,261.96 ± 96.99 µmol de H2 g de peso seco-1 y la actividad máxima de hidrogenasa de 179.39 ± 8.18 µmol de H2 g de peso seco-1 min-1 se obtuvieron de células de A. halophytica adaptadas en el medio BG11 privado de nitrógeno y potasio suplementado con solución salina de Turk Island (BG110-K) durante 48 h. Un aumento en la actividad de la hidrogenasa se atribuyó a la disminución de la concentración de O2 en el sistema, debido a una reducción de la tasa de evolución fotosintética del O2 y una promoción de la tasa de respiración oscura. Además, la privación de nitrógeno y potasio estimuló la acumulación de glucógeno y disminuyó la actividad específica de la piruvato quinasa. El análisis transcripcional de los genes implicados en el metabolismo de H2 utilizando RNA-seq confirmó los resultados anteriores. Varios genes involucrados en la biosíntesis de glucógeno (glgA, glgB y glgP) se regularon positivamente bajo privación de nitrógeno y potasio, pero los genes que regulan las enzimas en la vía glucolítica se regularon negativamente, especialmente pyk que codifica la piruvato quinasa. Curiosamente, los genes implicados en la vía oxidativa de la pentosa fosfato (OPP) estaban regulados positivamente. Por lo tanto, la OPP se convirtió en la vía favorecida para el catabolismo del glucógeno y la generación de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido (NADPH), lo que resultó en un aumento en la producción de H2 en condiciones anaeróbicas oscuras en células privadas de nitrógeno y potasio.Files
pdf.pdf
Files
(1.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:d748dc22129a76f15d279d87b25e220f
|
1.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- إنتاج الهيدروجين المخمر الداكن والتحليل النسخي للجينات المشاركة في البكتيريا الزرقاء أحادية الخلية التي تتحمل الهالوجين أفانوثيس هالوفيتيكا تحت الحرمان من النيتروجين والبوتاسيوم
- Translated title (French)
- Production d'hydrogène fermentatif foncé et analyse transcriptionnelle des gènes impliqués dans la cyanobactérie halotolérante unicellulaire Aphanothece halophytica sous privation d'azote et de potassium
- Translated title (Spanish)
- Producción de hidrógeno fermentativo oscuro y análisis transcripcional de genes involucrados en la cianobacteria unicelular halotolerante Aphanothece halophytica bajo privación de nitrógeno y potasio
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4313649731
- DOI
- 10.3389/fbioe.2022.1028151
References
- https://openalex.org/W1809128349
- https://openalex.org/W1968642079
- https://openalex.org/W1968834637
- https://openalex.org/W1971473594
- https://openalex.org/W1973516427
- https://openalex.org/W1981385284
- https://openalex.org/W1991589575
- https://openalex.org/W2001069163
- https://openalex.org/W2006155394
- https://openalex.org/W2015423494
- https://openalex.org/W2026783687
- https://openalex.org/W2028948054
- https://openalex.org/W2034050937
- https://openalex.org/W2047311262
- https://openalex.org/W2054267555
- https://openalex.org/W2073593639
- https://openalex.org/W2080791625
- https://openalex.org/W2080983977
- https://openalex.org/W2090479621
- https://openalex.org/W2092155877
- https://openalex.org/W2095124614
- https://openalex.org/W2097287929
- https://openalex.org/W2100175503
- https://openalex.org/W2108081003
- https://openalex.org/W2125446322
- https://openalex.org/W2128635872
- https://openalex.org/W2131201603
- https://openalex.org/W2144144884
- https://openalex.org/W2152210968
- https://openalex.org/W2154170505
- https://openalex.org/W2157794377
- https://openalex.org/W2170304655
- https://openalex.org/W2170529101
- https://openalex.org/W2486056422
- https://openalex.org/W2514276308
- https://openalex.org/W2566973458
- https://openalex.org/W2621264660
- https://openalex.org/W2770642160
- https://openalex.org/W2946584188
- https://openalex.org/W2954103543
- https://openalex.org/W4205646787
- https://openalex.org/W4253472439
- https://openalex.org/W4285591089
- https://openalex.org/W4293247451
- https://openalex.org/W4308155497
- https://openalex.org/W836553960
- https://openalex.org/W973353241