במודל האורגניזם Chlamydomonas reinhardtii, פוטוסינתזה ונשימה אירובית מתרחשות בכלורופלסטים ובמיטוכונדריה, בהתאמה, בעוד שתסיסה אנאירובית יכולה להתרחש באופן עצמאי בציטופלזמה, במיטוכונדריה ובכלורופלסטים. כיצד שלושת תהליכי חילוף החומרים הבסיסיים הללו מתרחשים בהרמוניה ובסדר בתוך אותו תא היא שאלה מדעית שראויה לבחינה מעמיקה יותר. נכון לעכשיו, קיים מיעוט יחסי של מחקרים סביב האינטראקציות בין השלושה, והמנגנון של צימוד תפקודי אינו ברור עדיין.
מחקרים קודמים הראו שאורגניזמים פוטוסינתטיים צוברים בהדרגה פרוטונים בטיפול כהה, מה שמוביל להחמצה של לומן השלפוחית דמוי הכלורופלסט ובכך לעיכוב הפוטוסינתזה, אשר עשוי להיות קשור לנשימה של כלורופלסט או להידרוליזה של ATP. בהתבסס על המחקרים הקודמים על החמצה של לומן הציסטואיד, קבוצת המחקר של טיאן ליג'ין במכון לבוטניקה, האקדמיה הסינית למדעים, שיערה שהחומצה החלשה שנוצרה במהלך תהליך התסיסה עשויה לעכב את הפוטוסינתזה. על מנת לבחון השערה זו, המחקר שילב שיטות ביולוגיות, פיזיקליות וכימיות, ומצא שהוספת חומצות חלשות בתנאי חושך עלולה לגרום להחמצה של לומן הציסטה במוטנציות הנשימה של הכלורופלסט ptox2, nda2 ו-ATP hydrolysis mutant FUD50, אשר שלל את הקביעה כי החמצה של לומן הציסטה בחושך נגרמה על ידי נשימה כלורופלסט והידרוליזה של ATP, בהתאמה. בינתיים, נמצא כי מידת החמצה בלומן הציסטה הייתה בקורלציה חיובית עם ההצטברות הכוללת של חומצות חלשות שעברו חילוף חומרים אנאירוביים, בעוד שלא זוהתה חומצה בניסויים בשימוש באצה הירוקה NIES-2499, שהיא לא- יצרן של חומצות חלשות במהלך חילוף החומרים בתסיסה, באותם תנאי טיפול. זה מצביע על כך שמטבוליט החומצה החלש שנוצר על ידי תסיסה הוא הגורם הגורם להחמצה של לומן הציסטואיד. המחקר גם הוכיח שמנגנון ויסות משוב זה של מטבוליטים קיים במינים שונים של אורגניזמים פוטוסינתטיים. יתרה מכך, בהתבסס על החדירות למחצה של הממברנה למולקולות קטנות, המחקר הציע את מודל "מלכודת היונים", כלומר, מולקולות החומצה החלשות המיוצרות על ידי הוספה אקסוגנית או תסיסה אנאירובית יכולות לחצות את דו-שכבת השומנים ולבסוף להיכנס לומן הציסטואיד, אך היונים המיוננים אינם מסוגלים לחצות בחופשיות את הממברנה, וללומן הציסטואיד יש יכולת חציצה של pH נמוכה יותר, מה שמוביל להצטברות של פרוטונים בלומן ולהחמצה. וכך מתרחשת החמצה.
מחקר זה מבהיר מנגנון חדש שבאמצעותו תסיסה אנאירובית משפיעה על הפוטוסינתזה והנשימה באורגניזמים פוטוסינתטיים, שהוא בעל משמעות רבה לחקר הצימוד הכימי בין פוטוסינתזה, נשימה אירובית ונשימה אנאירובית, ולחקירת התהליכים הפיזיולוגיים הבסיסיים של תהליכים פוטוסינתטיים. כמו אופטימיזציה של יכולת הצמיחה וסגירת הפחמן של צמחים.
תוצאות המחקר הקשורות פורסמו באינטרנט ב-Nature Communications. במחקר השתתפו חוקרים מהאוניברסיטה החופשית של אמסטרדם, הולנד, אוניברסיטת ליאז', בלגיה ו-CNRS, צרפת. המחקר נתמך על ידי תוכנית המפתח הלאומית למחקר ופיתוח של סין, הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין ופרויקט הפיילוט האסטרטגי של האקדמיה הסינית למדעים.
מסלול מטבולי של תסיסה אנאירובית ב- Chlamydomonas reinhardtii ומודל עבודה של "מלכודת היונים"
