U modelnom organizmu Chlamydomonas reinhardtii, fotosinteza i aerobno disanje odvijaju se u kloroplastima, odnosno mitohondrijima, dok se anaerobna fermentacija može odvijati neovisno u citoplazmi, mitohondrijima i kloroplastima. Kako se ova tri osnovna procesa energetskog metabolizma odvijaju u skladu i redu unutar iste stanice znanstveno je pitanje koje zaslužuje dublje razmatranje. Trenutačno postoji relativno malo istraživanja o interakcijama između njih tri, a mehanizam funkcionalnog povezivanja još nije jasan.
Prethodne studije pokazale su da fotosintetski organizmi postupno akumuliraju protone pod tretmanom u mraku, što dovodi do zakiseljavanja lumena vezikula nalik kloroplastu i time do inhibicije fotosinteze, što može biti povezano s disanjem kloroplasta ili hidrolizom ATP-a. Na temelju prethodnih studija o zakiseljavanju cistoidnog lumena, istraživačka grupa Tiana Lijina na Institutu za botaniku Kineske akademije znanosti, pretpostavila je da je slaba kiselina proizvedena tijekom procesa fermentacije možda inhibirala fotosintezu. Kako bi se testirala ova hipoteza, studija je integrirala biološke, fizikalne i kemijske metode i otkrila da dodavanje slabih kiselina u tamnim uvjetima može uzrokovati zakiseljavanje lumena ciste u mutantima disanja kloroplasta ptox2, nda2 i mutantu hidrolize ATP-a FUD50, koji isključili su tvrdnju da je zakiseljavanje lumena ciste u mraku uzrokovano disanjem kloroplasta, odnosno hidrolizom ATP-a. U međuvremenu, otkriveno je da je stupanj zakiseljavanja u lumenu ciste u pozitivnoj korelaciji s ukupnom akumulacijom anaerobno metaboliziranih slabih kiselina, dok zakiseljavanje nije otkriveno u pokusima s zelenom algom NIES-2499, koja je ne- proizvođač slabih kiselina tijekom metabolizma fermentacije, pod istim uvjetima obrade. Ovo sugerira da je slabo kiseli metabolit proizveden fermentacijom uzročnik zakiseljavanja cistoidnog lumena. Studija je također pokazala da ovaj povratni mehanizam regulacije metabolita postoji u različitim vrstama fotosintetskih organizama. Nadalje, na temelju polupropusnosti membrane za male molekule, studija je predložila model "ionske zamke", tj. molekule slabe kiseline proizvedene egzogenim dodavanjem ili anaerobnom fermentacijom mogu prijeći lipidni dvosloj i konačno ući u cistoidni lumen, ali ionizirani ioni ne mogu slobodno prijeći membranu, a cistoidni lumen ima niži pH puferski kapacitet, što dovodi do nakupljanja protona u lumenu i zakiseljavanja. te tako dolazi do zakiseljavanja.
Ova studija razjašnjava novi mehanizam kojim anaerobna fermentacija utječe na fotosintezu i disanje u fotosintetskim organizmima, što je od velikog značaja za istraživanje kemijske sprege između fotosinteze, aerobne respiracije i anaerobne respiracije, kao i za istraživanje osnovnih fizioloških procesa fotosintetskih organizama. kao optimiziranje rasta i sposobnosti sekvestracije ugljika biljaka.
Povezani rezultati istraživanja objavljeni su online u časopisu Nature Communications. U istraživanju su sudjelovali istraživači sa Slobodnog sveučilišta u Amsterdamu, Nizozemska, Sveučilišta u Liègeu, Belgija, i CNRS-a, Francuska. Istraživanje su podržali Nacionalni ključni istraživački i razvojni program Kine, Nacionalna zaklada za prirodne znanosti Kine i Strateški pilot projekt Kineske akademije znanosti.
Metabolički put anaerobne fermentacije kod Chlamydomonas reinhardtii i radni model "ionske zamke"
