Time- and wavelength-resolved fluorescence spectroscopy is an appropriate tool for quantitative and non-invasive investigations of living cells. Short measurement times with low excitation light intensities are necessary to observe variations of the fluorescence due to changes in the metabolism of the sensitive biological organisms.
With new techniques the fluorescence dynamics can be monitored simultaneously in a broad spectrum during a very short measurement time. That provides information about the spectral differences of the fluorescence dynamics which can vary in correlation with the metabolic changes.
The interaction of the photosynthetic subunits and especially the mechanisms regulating the energy transfer are presently interesting and open fields in photosynthesis research.
The phototrophic cyanobacterium Acaryochloris marina contains membrane extrinsic PBP antenna complexes and mainly Chl d containing membrane intrinsic core antenna complexes which absorb light and transfer excitation energy to the reaction center.
The results of our studies suggest a fast excitation energy transfer kinetics of 20-30 ps along the PBP antenna of A.marina followed by a transfer with a time constant of about 60 ps to Chl d.
Very often cells or cell fragments are kept at low temperature to decelerate ageing processes. Living cells of A. marina which were stored at 0°C for some time showed a reduced excitation energy transfer from the PBP to the Chl d antenna, which partially recovered when the sample had been kept at 25 °C for a short time.
The reduction of the excitation energy transfer might be caused by a mechanism that decouples the PBP antenna under cold stress conditions avoiding photo damage of the reaction center of PS II.
Inhaltsverzeichnis
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1 Algal culture
2.2 Excitation sources
2.3 Fluorometer system
2.4 Data Analysis
3. Results
4. Decoupling of the PBPs under cold stress
5. Excited state populations according to a model of rate equations
6. Discussion
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht mittels zeit- und wellenlängenaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie die metabolischen Veränderungen und die Dynamik der Anregungsenergietransfer-Prozesse in lebenden Zellen des Cyanobakteriums Acaryochloris marina unter verschiedenen Stressbedingungen, insbesondere Kältestress.
- Analyse der Anregungsenergieübertragung von der PBP-Antenne zum Chlorophyll d.
- Untersuchung der Auswirkungen von Kältestress auf die Kopplung der Antennenkomplexe.
- Einsatz von zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung zur Erfassung schneller Fluoreszenzdynamiken.
- Modellierung der angeregten Zustände mittels Ratengleichungen.
- Erforschung von Schutzmechanismen gegen lichtinduzierte Zellschäden.
Auszug aus dem Buch
4. Decoupling of the PBPs under cold stress
The regulation of cell metabolism is a topic of high interest in biology, medicine and pharmacy. Some metabolic changes occur on very short time scales and therefore it is difficult to observe the changes. Many microscopic techniques, which are used for investigations need vacuum or cryostatic temperatures. Therefore these techniques are not adequate to investigate metabolic changes in vivo. Fluorescence spectroscopy is very sensitive and can therefore work with low light intensities measuring the sample in vivo in solution at room temperature.
Excitation energy transfer from PBP to PS II has been reported to be regulated in cyanobacteria [27] and changes of the transfer efficiency have been observed under stress conditions like cold stress [28]. The mechanisms regulating the energy transfer are still unknown and therefore a topic of the recent research. It was suggested that the regulation of the energy transfer helps to protect the PS II from light induced damage. Therefore we investigated the effect of cold stress on the fluorescence dynamics in A.marina.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Introduction: Diese Einleitung stellt Acaryochloris marina als einzigartiges, Chlorophyll d enthaltendes Cyanobakterium vor und erläutert die Bedeutung der Fluoreszenzspektroskopie für die Erforschung der Photosynthese.
2. Materials and methods: Hier werden die experimentellen Ansätze beschrieben, darunter die Kultivierung der Algen, die verwendeten Anregungsquellen sowie die hochauflösenden Fluorometer-Systeme und die mathematischen Methoden zur Datenanalyse.
3. Results: Dieser Abschnitt präsentiert die Ergebnisse der spektroskopischen Untersuchungen, insbesondere zur zeitaufgelösten Fluoreszenz und den Energietransfer-Prozessen bei Raumtemperatur.
4. Decoupling of the PBPs under cold stress: Das Kapitel analysiert, wie Kältestress zu einer Entkopplung der PBP-Antennen führt, um das Photosystem II vor lichtinduzierten Schäden zu schützen.
5. Excited state populations according to a model of rate equations: Hier wird ein mathematisches Modell basierend auf linearen Differentialgleichungen entwickelt, um die Populationsdynamik der angeregten Zustände in den gekoppelten Antennensystemen zu berechnen.
6. Discussion: Die Ergebnisse werden interpretiert und in den wissenschaftlichen Kontext eingeordnet, wobei die Rolle der PBP-Entkopplung als allgemeiner Schutzmechanismus gegen Stressfaktoren hervorgehoben wird.
Schlüsselwörter
Acaryochloris marina, Fluoreszenzdynamik, Spektroskopie, Phycobiliprotein, Chlorophyll d, Fluoreszenzlebensdauer, Anregungsenergietransfer, Phycocyanin, Allophycocyanin, Zellstoffwechsel, Photosyntheseforschung, Biotechnologie, Biomedizin, Lebenswissenschaften
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Fluoreszenzdynamik im lichtabsorbierenden System des Cyanobakteriums Acaryochloris marina, um metabolische Veränderungen und Anpassungsmechanismen bei Stress zu verstehen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Photosyntheseforschung, insbesondere der Energieweiterleitung innerhalb der Antennenkomplexe sowie der Regulation dieser Prozesse durch externe Stressfaktoren wie Kälte.
Was ist das primäre Ziel der Studie?
Ziel ist es, die Mechanismen der Anregungsenergieübertragung von PBP-Antennen auf das Photosystem II zu klären und zu untersuchen, ob eine Entkopplung als Schutzmechanismus gegen oxidative Schäden dient.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die zeit- und wellenlängenaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie mittels Einzelphotonenzählung eingesetzt, ergänzt durch mathematische Modellierung mittels Ratengleichungen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die experimentelle Untersuchung der Fluoreszenz, die mathematische Analyse der Zerfallskinetik und die Anwendung von Modellen zur Bestimmung von Transferraten zwischen Pigmenten.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Wichtige Begriffe sind Acaryochloris marina, Chlorophyll d, PBP-Entkopplung, Kältestress, Anregungsenergietransfer und Fluoreszenzlebensdauer.
Warum ist das Cyanobakterium Acaryochloris marina so besonders für diese Studie?
Es ist der einzige bekannte sauerstoffbildende photosynthetische Organismus, der überwiegend Chlorophyll d als Antennenpigment nutzt, was eine Anpassung an schattige Umgebungen ermöglicht.
Welches Ergebnis wird bezüglich der Kältestress-Reaktion erzielt?
Es wurde festgestellt, dass Kältestress zu einer reversiblen Entkopplung der PBP-Antennen führt, wodurch die Energieübertragung zum Photosystem II gedrosselt wird, um photochemische Schäden zu vermeiden.
- Quote paper
- Schmitt (Author), Theiss (Author), Wache (Author), Fuesers (Author), Andree (Author), Eichler (Author), Eckler (Author), 2007, Fluorescence spectrocopy of excitation energy transfer processes in Acaryochloris marina, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/159775
