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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.105.2022.tde-09052022-160141
Documento
Autor
Nome completo
Delaram Taghavi
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 2022
Orientador
Banca examinadora
Winck, Flavia Vischi (Presidente)
Basso, Thiago Olitta
Franco, Telma Teixeira
Lombardi, Ana Teresa
Título em inglês
Analysis of iron and nitrogen interplay in lipids accumulation in microalgae
Palavras-chave em inglês
Bioenergy
Biofuel
CCRD
Reactive oxygen species
Systems biology
Triacylglycerol
Resumo em inglês
Increasing the world population, emission of greenhouse gasses and global energy demand has led to the quest for a sustainable and renewable source of energy. Microalgae have been identified as a prospective source of biofuel production due to a large number of microalgae species that boast the ability to produce a large amount of neutral lipids, such as triacylglycerols (TAGs), under stress such as light, pH, temperature, salt, and nutrient stress or biotic stresses. One of the most conspicuous nutrients stresses that have been accentuated is nitrogen deprivation which is known to trigger TAGs accumulation inside the microalgae cell. On the downside, this stress condition impacts the cell growth and consequently decreases microalgae's applicability as a bioenergy and lipids feedstock for biotechnological purposes such as biofuel production. Supplementing the culture with nutrients is an approach that has been utilized to improve the growth and biomass of microalgae cells. As it has been shown, with iron supplementation the growth and lipid content were enhanced in microalgae culture. However, there is still no comprehensive understanding of the in-depth mechanism of this cellular response and the function of iron in enhancing the TAG accumulation and the iron and nitrogen interaction mechanism which seems to lead toward improving growth and increasing lipid accumulation. Recently, optimizing the culture condition for better growth and TAG production has been a very important subject as microalgae became a promising sustainable source. Therefore, to investigate the cellular responses of microalgae to the interplay of iron supplementation and nitrogen deprivation and to explore the interaction effect of these two nutrients on lipid accumulation and growth on Chlamydomonas reinhardtii, a Central Composite Rotatable Design (CCRD) was carried out. Mass spectrometry-based proteomics has become an integral part of the systems biology. In this study, in the model species microalgae C. reinhardtii, mass spectrometry-based Label-free time-resolved quantitative shotgun proteomics analysis of multiple experimental conditions showed the identity of proteins that may involve in nitrogen and iron interaction in the modulation of cell growth and TAGs accumulation. The results illustrate that the abundance of proteins involved in photosynthesis, oxidation-reduction processes, and polyamine biosynthesis was significantly modulated by the interplay between iron and nitrogen while maintaining the cells' growth performance and lipid levels high. Although manipulating the micronutrients and macronutrients in the culture medium would cause stress and consequently increase the reactive oxygen species (ROS) production, it seems that this interaction could decrease the ROS levels inside the cell which results in an equilibrium between growth and lipid accumulation.
Título em português
Análise da interação ferro e nitrogênio no acúmulo de lipídios em microalgas
Palavras-chave em português
Biocombustível
Bioenergia
Biologia de sistemas
CCRD
Espécies reativas de oxigênio
Triacilglicerol
Resumo em português
Análise da interação ferro e nitrogênio no acúmulo de lipídios em microalgas O aumento da população mundial, a emissão de gases de efeito estufa e a demanda global de energia tem levado à busca por uma fonte de energia sustentável e renovável. As microalgas têm sido reconhecidas como uma fonte prospectiva de produção de biocombustíveis devido à capacidade de algumas espécies de produzir grande quantidade de lipídios neutros, como triacilgliceróis (TAGs), sob condições de estresse nutricional, de luz, pH, temperatura e salinidade ou estresses bióticos. Um dos estresses nutricionais mais conhecido e que tem chamado atenção é a privação de nitrogênio, que é conhecido por desencadear o acúmulo de TAGs dentro da célula da microalga. No entanto, essa condição de estresse afeta negativamente o crescimento celular e, consequentemente, diminui a aplicabilidade das microalgas como matéria-prima de bioenergia e lipídios para fins biotecnológicos, como a produção de biocombustíveis. A suplementação de nutrientes na cultura é uma abordagem que tem sido utilizada para melhorar o crescimento e a biomassa das células de microalgas. Como foi demonstrado, com a suplementação de ferro o crescimento e o conteúdo lipídico foram aumentados na cultura de microalgas. No entanto, ainda não há uma compreensão abrangente do mecanismo dessa resposta celular e da função do ferro no aumento do acúmulo de TAG e do mecanismo de interação ferro e nitrogênio que parece levar à melhoria do crescimento e ao aumento do acúmulo de lipídios. Recentemente, a otimização da condição da cultura para melhor crescimento e produção de TAG tem sido um assunto muito importante, pois as microalgas se tornaram uma fonte sustentável e promissora. Portanto, para investigar as respostas celulares das microalgas à interação da suplementação de ferro e privação de nitrogênio e explorar o efeito da interação desses dois nutrientes no acúmulo e crescimento de lipídios em Chlamydomonas reinhardtii, um projeto rotativo composto central (CCRD) foi realizado. A proteômica baseada em espectrometria de massa tornou-se parte integrante da biologia de sistemas. Neste estudo, a análise proteômica quantitativa shotgun em séries temporais, realizada em diferentes condições experimentais com alteração da concentração de ferro e nitrogênio, revelou a identidade de proteínas que podem participar da interação nitrogênio e ferro na modulação do crescimento celular e no desempenho do acúmulo de TAGs na espécie modelo C. reinhardtii. Os resultados ilustram que a abundância de proteínas envolvidas na fotossíntese, processos de oxidação-redução e biossíntese de poliaminas foi significativamente modulada pela interação entre ferro e nitrogênio, mantendo o desempenho de crescimento das células e os níveis de lipídios elevados. Embora a manipulação de micronutrientes e macronutrientes no meio de cultura cause estresse e consequentemente aumente a produção de espécies reativas de oxigênio (ROS), parece que essa interação diminui os níveis de ROS dentro da célula, resultando em um equilíbrio entre crescimento e acúmulo de lipídios.
 
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Data de Liberação
2024-03-04
Data de Publicação
2022-05-10
 
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