Viktor Jefimovič Semeněnko | |
---|---|
Datum narození | 26. srpna 1932 |
Místo narození | Záporoží |
Datum úmrtí | 30. května 1998 (ve věku 65 let) |
Místo smrti | Moskva |
Země | SSSR → Rusko |
Vědecká sféra |
biotechnologie , vesmírná biologie |
Místo výkonu práce | Ústav fyziologie rostlin pojmenovaný po K. A. Timiryazev RAS |
Alma mater | Kyjevská státní univerzita |
Akademický titul | Doktor biologických věd |
Akademický titul | Profesor |
vědecký poradce | A. A. Nichiporovič |
Ocenění a ceny |
![]() ![]() Cena K. A. Timiryazev (1998) |
Victor Efimovich Semenenko (1932-1998) - doktor biologických věd, profesor, zástupce ředitele Ústavu fyziologie rostlin pojmenovaného po K. A. Timiryazev , vedoucí oddělení intracelulární regulace a biotechnologie fotoautotrofní biosyntézy.
Viktor Efimovich je široce známý v Rusku i v zahraničí pro svůj příspěvek k problému samoregulace fyziologických funkcí rostlin. Položil základní základy biotechnologie fotoautotrofní biosyntézy jako způsobu řízení biosyntetického potenciálu rostlinné buňky cíleným působením na jejich regulační systémy.
Jeho první studentský vědecký článek „O vlivu světelného hladovění na stav chloroplastů v listech zelených rostlin“ [1] , ve kterém mladý badatel pozoroval rozpad a dělení chloroplastů rodu Selagenella , vyšel již v roce 1952. Bezprostředně po po absolvování Kyjevské univerzity nastoupil V. E. Semenenko na postgraduální studium u profesora A. A. Nichiporoviče na Ústavu fyziologie rostlin a navždy spojil svou neúnavnou vědeckou činnost se jménem tohoto ústavu, udržujíc si trvalý a hluboký zájem o problémy fyziologie a biochemie fotosyntézy. Práce a komunikace s A. A. Nichiporovičem měly silný vliv na vývoj obecných biologických názorů a formování osobnosti Viktora Efimoviče. Disertační práce byla věnována studiu indukčních procesů výměny fotosyntetických plynů, kde byl poprvé objeven fenomén uvolňování CO2 závislého na světle, jehož biochemické studium v různých laboratořích později vedlo k objevu fotorespirace [2]. .
Ihned po absolvování postgraduální školy v roce 1958 vedl V. E. Semenenko skupinu v laboratoři fotosyntézy IGF, která řešila problémy s použitím jednobuněčných fototrofních mikroorganismů v uzavřených biologických systémech podpory života. Uspořádání této skupiny, iniciované A. A. Nichiporovičem, bylo diktováno úspěšným zahájením průzkumu vesmíru v těchto letech a vznikem nového oboru vědění - vesmírné biologie .
Velké pokroky ve výzkumu vesmíru na konci 50. a 60. let 20. století, nyní minulého století, vyvolaly ve vědeckých kruzích optimismus a nadšení. Již před Gagarinovým letem do vesmíru se uvažovalo o perspektivách dlouhodobých meziplanetárních cest, vytváření obyvatelných mimozemských stanic a orbitálních komplexů, jejichž jedním z hlavních článků byly biologické systémy podpory života využívající fotosyntetické organismy, především mikrořasy. V Ústavu fyziologie rostlin Akademie věd SSSR byla vytvořena speciální skupina pro studium mikrořas a poté laboratoř, kterou vedl V. E. Semenenko. Specifika systémů podpory života si vyžádala studium a řešení řady problémů, které na 2 desetiletí určovaly směr výzkumu laboratoře.
Nejprve byla studována životaschopnost a úroveň mutací chlorelly v podmínkách kosmického letu, pro které byly již v roce 1958 provedeny experimenty na bezpilotních družicích, které nevykazovaly žádné znatelné změny ve fyziologickém a populačním stavu řas v letovém experimentu. [3].
Neméně důležitou etapou bylo studium kompatibility zelených jednobuněčných řas a člověka s jejich neustálým kontaktem. Tato otázka byla vyřešena na počátku 60. let ve společných experimentech s Biofyzikálním ústavem Lékařské akademie věd. Dlouhodobý pobyt testujících v izolované přetlakové kabině s fotoreaktorem s jednobuněčnými řasami napojenými na systém výměny plynů neovlivnil stav posádky a neovlivnil mikrořasy [4-6].
Paralelně s těmito pracemi byly vybrány nejslibnější formy jednobuněčných řas pro systémy podpory života, byl zintenzivněn jejich růst a byly vyvinuty různé typy uzavřených fotobioreaktorů. Výsledkem bylo, že během 1,5měsíčního nepřetržitého experimentu byla získána produktivita Chlorelly 25-30 litrů kyslíku z 1 litru suspenze za den, planární fotoreaktory, fotoreaktory využívající vzduchové výtahy, turbosorbéry, s tryskovým rozprašováním suspenze v osvětlený objem, s distribucí světelné energie v závěsu pomocí různých typů světlovodů. Fotoreaktor vyvinutý v roce 1967 V.E. Semenenkem pro intenzivní kultivaci mikrořas s distribucí světla pomocí světlovodů se dodnes používá v Ústavu biomedicínských problémů při experimentech s člověkem v hermeticky uzavřených prostorech [7].
Základní podmínkou, která určovala možnost použití biologického systému podpory života, byl vysoký stupeň spolehlivosti a stability řasové vazby. Teorie autoselekčních procesů v populacích mikrořas vyvinutá V. E. Semenenkem a L. N. Tsoglinem v roce 1967, experimentálně testovaná v letech 1969-1972, vyloučila možnost zhoršení výměnných plynových charakteristik spoje a ukázala možnost pouze zlepšení fotosyntetických a produkčních parametrů. mikrořas v procesu jejich dlouhé kontinuální kultivace [8,9]. Míra spolehlivosti biologické vazby je tedy dána úrovní návrhu a technického řešení.
Spolu s regenerací atmosféry patří mezi úkoly biologického systému podpory života také zajištění dostatečné výživy pro posádku. Při omezeném počtu složek biologické vazby má velký význam „přizpůsobení“ biochemického složení mikrořas lidské stravě. Problematika regulace biochemické orientace fotosyntetického metabolismu buněk mikrořas se stala jednou z hlavních oblastí výzkumu V. E. Semenenka, která později vyústila v jím navrženou teorii endogenní regulace fotosyntézy [10]. Práce v tomto směru vedla k selekci forem - producentů různých druhů sloučenin a vývoji metod kontroly biochemického složení mikrořas s využitím široké škály extrémních dopadů na kulturu [11, 12]. Metoda dvoufázové kultivace mikrořas navržená v 70. letech 20. století umožnila vést proces kontinuální produkce biomasy o daném chemickém složení bez snížení fotosyntetické aktivity mikrořas [13, 14].
Moderní biotechnologie mikrořas vycházela také z prací v oblasti vesmírné biologie . Nespornou zásluhu na tom má V. E. Semenenko. Šíře vědeckých zájmů charakteristická pro Viktora Efimoviče mu umožnila překročit praktickou kosmonautiku a v roce 1971 se skupina transformovala na Laboratoř molekulárních základů intracelulární regulace a poté na Oddělení intracelulární regulace a biotechnologie fotoautotrofní biosyntézy.
Fotosyntetické mikroorganismy byly po celá ta léta hlavním objektem výzkumu V. E. Semenenka, který mu umožnil nejen stát se uznávaným lídrem v oblasti experimentální a aplikované algologie, ale také významně přispět ke studiu fyziologie, biochemie a , v posledních letech genetika fotosyntézy. Na jedné straně jsou mikrořasy díky extrémně vysoké plasticitě jejich metabolismu výborným modelem pro studium principů samoregulace. Na druhé straně studium fyziologických a biochemických základů plasticity metabolismu umožnilo najít způsoby řízení biosyntézy mikrořas a položit zásadní základy pro zásadně nový obor biotechnologie, biotechnologie fotoautotrofní biosyntézy [15 , 16]. Za účelem využití mikrořas pro základní i aplikovaný výzkum byla pod vedením Viktora Efimoviče vytvořena sbírka (genofond) mikrořas IPPAS v Institutu M. G. Vladimirova, který je součástí International Association of Collections a v současnosti je jednou z nejreprezentativnější evropské sbírky mikrořas.
Studie V. E. Semenenka, který úspěšně spojil hluboký teoretický výzkum s aplikovaným vývojem, získaly v roce 1988 státní cenu SSSR a získaly široké mezinárodní uznání. Účast s prof. X. Dilov při vytváření velkovýroby biomasy v Bulharsku, vedení řady mezinárodních projektů a Evropské pracovní skupiny v oblasti algologie - to není úplný výčet jeho přínosu aplikované biologické vědě [15,17 ].
Hlavní zájmy Viktora Efimoviče, jak je sám formuloval, směřovaly ke studiu samoregulace fyziologických procesů a metabolismu rostlinných fotoautotrofních buněk, a to:
— objasnit fyziologické reakce genetických systémů rostlinné buňky, — objasnit molekulární a buněčnou organizaci mechanismů endogenní regulace fotosyntézy, — studovat metabolismus a buněčné cykly vývoje fotoautotrofních jednobuněčných organismů.
Na této cestě byly učiněny nejvýznamnější vědecké objevy a v domácí vědě zůstala jedinečná a jasná stopa. V galaxii ruských vědců 20. století, kteří významně přispěli ke studiu primárních procesů fotosyntézy (V. B. Evstigneev, A. A. Krasnovsky), struktury a biosyntézy chlorofylu (T. N. Godnev, A. A. Shlyk), fotosyntetického metabolismu uhlíku ( A. T. Mokronosov, N. G. Doman, E. N. Kondratieva, A. K. Romanova), genom fotosyntetického aparátu (N. M. Sisakyan) a fotosyntetická produktivita cenóz (A. A. Nichiporovich), VE Semenenko zaujímá zvláštní postavení a věnuje se studiu regulace fyziologických procesů a metabolismu rostlin.
Na počátku 70. let se Viktor Efimovich obrátil ke starému problému fyziologie rostlin o vlivu asimilátů (neboli překrmování rostlin) na fotosyntézu, aby jej rozluštil na molekulární úrovni. Pro studium existence metabolitové autoregulace fotosyntézy byly položeny tři hlavní otázky: 1) jaká je možná povaha tohoto efektorového metabolitu, 2) jaký je molekulární mechanismus jeho působení v chloroplastu, 3) jaký je mechanismus konjugace? foto- a metabolitové regulace.
K hledání mezi produkty fotosyntézy metabolitu, který plní regulační roli v buňce, byl použit originální přístup - použití modifikovaných molekul glukózy, které mají biologickou užitečnost, ale omezený metabolismus. Tato kritéria splnila 2-deoxy-D-glukóza (2dDG), která byla použita ke studiu represe fotosyntézy a systému chloroplastu syntetizujícího proteiny. Objev světelné závislosti represivního působení 2dDH dále ukázal úzkou spolupráci mezi procesy metabolické regulace a fotoregulací biosyntézy chloroplastů.
Již v roce 1982 se v průběhu inhibiční analýzy a chronologie dějů probíhajících v chloroplastu dospělo k závěru, že regulační působení glukózy se uskutečňuje na úrovni transkripce DNA chloroplastu [22]. Později byly tyto závěry plně potvrzeny na příkladu transkripce genů kódujících proteiny reakčního centra fotosystému II . Získání regulačních mutantů Chlorella vulgaris , které jsou nadproducenty konečných produktů fotosyntézy, a také mutantů sinice Synechocystis sp. PCC 6803, rezistentní vůči 2dDH [40, 41], byl novým moderním přístupem ke studiu metabolické regulace, který umožnil prokázat zapojení glukózy do regulace exprese genomu chloroplastů a fotosyntézy na genetické úrovni.
Dále byly pozorovány jevy metabolitové regulace fotosyntézy, studované v modelových experimentech s použitím nemetabolizovatelných analogů glukózy, ve fyziologických experimentech s hypertrofovanou akumulací asimilátů v chloroplastu po naplnění zásoby rezervních polysacharidů. Bylo prokázáno, že přechod fotosyntetických buněk ke specializovaným syntézám je dán působením složitého řetězce geneticky determinovaných dějů a zahrnuje procesy indukované syntézy a selektivní proteolýzy proteinů. Tyto výsledky (G. L. Klyachko-Gurvich, T. S. Rudova) vytvořily základ pro vývoj kontroly nad směrem biosyntézy mikrořas a produkci biomasy daného složení s vysokým obsahem sacharidů, lipidů nebo biologicky aktivních sloučenin.
V průběhu těchto prioritních studií, vedených velkou skupinou studentů V. E. Semenenka (M. V. Zvereva, E. S. Kuptsova, D. A. Los, L. A. Shitova, N. V. Lebedeva) v Moskvě (IGF RAS) a v Puščinu (IOPB RAS), regulační byla studována role glukózy v chloroplastu a bylo zjištěno, že negativní metabolická regulace exprese genů fotosyntézy konečnými produkty fotosyntetické redukce uhlíku je jedním z nejdůležitějších endogenních faktorů, který omezením funkce chloroplastu hraje klíčovou roli v adaptačních reakcích fotosyntetického aparátu a jeho donor-akceptorových interakcích v buňce. Výsledky těchto studií tvořily základ Timiryazevovy přednášky, kterou přednesl V. E. Semenenko v roce 1984.
Souběžně se studiem endogenní regulace fotosyntézy v případě nadměrné aktivity fotosyntézy ve srovnání s buněčnými požadavky zaujímal přední místo mezi zájmy V.E. Semenenka problém projevů autoregulace fotosyntézy, když je omezena. nedostatkem oxidu uhličitého [51-62].
Při studiu tohoto problému vycházel V.E. Semenenko z hypotézy, že nízká koncentrace CO2 v moderní atmosféře Země je jedním z globálních faktorů v planetárním měřítku, který omezuje fotosyntézu mikrořas a zřejmě i všech C3. rostliny. Na počátku 70. let, po objevu fotosyntézy C4 , se rozšířil názor, že schopnost koncentrovat CO2 v buňce je charakteristickým rysem rostlin C4, zatímco rostliny C3 tuto schopnost nemají. V té době se mnoho badatelů zabývalo osudem uhlíku v C3 rostlinách již po jeho interakci s RuBisCO, přičemž transport CO2 do buňky byl přinejlepším zaznamenán jako odpor vůči difúzi CO2.
Nicméně řada takových skutečností, jako je rozpor mezi skutečnou afinitou Rubisco k CO2 a jeho vypočtenými koncentracemi ve stromatu, zvýšení fotosyntetické afinity k CO2, když se buňky adaptují na pokles hladiny oxidu uhličitého v prostředí, schopnost mikrořas růst v nepřítomnosti CO2 na médiu obsahujícím bikarbonát, byly v rozporu s hypotézou přímé difúze CO2 do karboxylačních center a ukázaly, že zajištění temných reakcí fotosyntézy se substrátem je pod genetickou kontrolou buňka [33,63,64].
V. E. Semenenko se v tomto ohledu v polovině 70. let 20. století obrátil k zásadnímu problému organizace primárních procesů asimilace CO2, jemuž připisoval absorpci, transmembránový přenos a intracelulární akumulaci anorganického uhlíku (CH), jakož i koncentraci CO2 v karboxylačních zónách. Viktor Efimovich začal tento problém zkoumat studiem karboanhydrázy v mikrořasách, protože se domníval, že významnou roli v primárních procesech asimilace CH mohou mít enzymatické reakce zahrnující tento enzym, který v té době u rostlin prakticky nebyl studován [53, 57-59,61].
Již v první práci v tomto směru, kterou publikoval v roce 1977, byly poprvé předloženy a experimentálně podloženy myšlenky o existenci systému karboanhydrázy ve fotosyntetických buňkách, včetně rozpustných a membránově vázaných forem enzymu. . Tyto údaje o existenci rodiny karboanhydráz v mikrořasách a přítomnosti membránových enzymů mezi nimi výrazně předčily vědecké pátrání jiných výzkumníků [62].
Detailní studium organizace karboanhydrázového systému v různých taxonomických skupinách mikrořas, jeho fyziologické a biochemické vlastnosti, regulace syntézy různých forem karboanhydrázy, jakož i adaptivní přeuspořádání jejich aktivity umožnily V. E. Semenenkovi a jeho studentům již v roce 1981 představit model původního mechanismu koncentrace CO2 (SCM) v mikrořasách, který inicioval apel na tento problém mnoha výzkumníků59. Velkým úspěchem je objev V. E. Semenenka a Z. M. Ramazanova o regulační roli oxygenasové funkce RuBisCO/O při indukci CO2-dependentní formy karboanhydrázy a při realizaci regulačních interakcí mezi fotosyntézou, fotorespirací a jadernou genetikou. aparát rostlinné buňky při autooptimalizaci uhlíkové výživy mikrořas. V těchto pracích bylo prokázáno, že glyoxylát, produkt fotorespirace, je induktorem syntézy karboanhydrázy účastnící se transportu CH v chloroplastu [55, 59, 65, 66].
Teoretická část práce obsahuje novou hypotézu Viktora Efimoviče o důležité roli pyrenoidu obsahujícího Rubisco/O a karboanhydrázu v koncentraci, tvorbě a fixaci CO2 v chloroplastu. Mezi odborníky zabývajícími se problematikou metabolismu uhlíku jsou dobře známé studie V. E. Semenenka, provedené společně s jeho manželkou a kolegyní M. G. Vladimirovou, ve kterých byla poprvé prokázána lokalizace Rubisco/O v pyrenoidech [67-69 ].
Objev karboanhydrázy v thylakoidní membráně v roce 1988 a studium kinetiky fotochemických reakcí chloroplastu v přítomnosti inhibitorů karboanhydrázy a v SCM mutantech ukázaly přímou účast thylakoid karboanhydrázy na řízení aktivity Calvinův cyklus. Tato data posloužila jako vážný argument ve prospěch shuntingu SCM, jehož podstatou je přenos HCO3 do lumen a jeho přeměna pomocí karboanhydrázy na CO2, který difunduje do stromatu podél koncentračního gradientu [51,52 ,54].
Model tohoto mechanismu koncentrace, tvorby a fixace CO2 v chloroplastu u mikrořas, který bere v úvahu pH buněčných kompartmentů, selektivní vlastnosti membrán a intracelulární lokalizaci CA, RuBisCO a fotosystémů, byl analyzován v speciální recenze a články uznávané moderními výzkumníky fotosyntézy. Výhodou tohoto modelu je také to, že navozuje celou řadu nových směrů ve studiu fotosyntézy, zejména integraci funkcí karboanhydrázy ve fotosyntéze s úlohou jejích izoforem v procesech dýchání, fotolýzy vody, a uvolňování O2, které zajišťují symetrii fotosyntetických a respiračních funkcí rodiny karboanhydrázy v rostlinné buňce.
Získaná experimentální data a na jejich základě provedená zobecnění umožnila V. E. Semenenkovi a spolupracovníkům formulovat koncept funkční role SCM jako integrálního integrovaného systému, ve kterém je kompartmentace, selektivní vlastnosti membrán, protonový gradient, lokalizace a topologie CA a transmembránový transport CH hrají rozhodující roli. , Tento koncept rozšiřuje chápání fotosyntetického metabolismu.
Seznam publikací. Pro otevření klikněte na tlačítko "zobrazit" vpravo