Publikation: Colourful diversity – Modified methods for extraction and quantification of photopigments and phycobiliproteins isolated from phototrophic micro- and macroalgae

Das Lehrgebiet BioVT publiziert in der Zeitschrift "The Journal for Chemical Education" den Artikel “Colourful diversity – Modified methods for extraction and quantification of photopigments and phycobiliproteins isolated from phototrophic micro- and macroalgae”.

Der Artikel stellt experimentelle Protokolle vor, die auf der Grundlage der etablierten Methoden zur Extraktion von Photopigmenten aus Pflanzen entwickelt und für die Verwendung von phototrophen Mikro- und Makroalgen optimiert wurden. Ziel ist es, den SchülerInnen einen erweiterten Horizont der Struktur-Funktions-Beziehung hinsichtlich photosynthetisch aktiver Strukturen in phototrophen Organismen und deren Wechselwirkungen mit dem Lebensraum der Organismen zu erläutern. Neben den grünen Chlorophyllen und gelb-orangen Carotinoiden in Pflanzen haben Cyanobakterien und Rotalgen zusätzliche Lichtantennenkomplexe entwickelt, die sogenannten Phycobilisome, die aus verschiedenen Phycobiliproteinen bestehen (blau: C-Phycocyanine und Allophycocyanin und rot: Phycoerythrine). Zu diesem Zweck wurden einfach durchzuführende Experimente entwickelt, die den SchülerInnen der Sekundarstufe II die bunte Welt der Photopigmente näher bringen sollen. Der Artikel berichtet über eine schnelle und reproduzierbare Fest-Flüssig-Extraktion von photosynthetischen Pigmenten und Phycobiliproteinen aus preiswerten, handelsüblichen Pulvermengen von Chlorella vulgaris (Chlorella, Mikroalge), Arthrospira platensis (Spirulina, Cyanobakterie) und Palmaria palmata (Dulse; Makroalge) unter Verwendung von Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität. Die Konzentration der jeweiligen Pigmente und Phycobiliproteine in den Extraktlösungen wird photometrisch mit einer kostengünstigen Methode bestimmt, die auf etablierten Methoden aus der Forschung basiert. Weiterhin wurde eine Säulenchromatographie entwickelt, die die Herstellung der Pigment- und Phycobiliproteinextrakte aus A. platensis ermöglicht. Dieses Verfahren basiert auf der etablierten "Supermarktsäule" und wurde im Hinblick auf die Verwendung von pulverisierten Mengen von A. platensis optimiert. Die Herausforderung bestand darin, die geeigneten Elutionsmittel und das geeignete Material zum Befüllen der Säule auszuwählen und die Elutionszeit entsprechend den unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften der Photopigmente und Phycobiliproteine anzupassen. Zusammenfassend werden in diesem Artikel zwei attraktive, komplementäre Methoden für die Extraktion und Quantifizierung von Photopigmenten und Phycobiliproteinen aus phototrophen Mikro- und Makroalgen vorgestellt, die sowohl im universitären als auch im schulischen Bereich eingesetzt werden können.

The article presents experimental protocols developed based on the established methods for the extraction of photopigments from plants and optimized for the use of phototrophic micro- and macroalgae. The aim is to explain to students an expanded horizon of structure-function relationship regarding photosynthetically active structures in phototrophic organisms and its interactions with the habitat of the organisms. Besides the green chlorophylls and yellow-orange carotenoids in plants, cyanobacteria and red algae developed additional light antenna complexes so-called phycobilisomes consisting of different phycobiliproteins (blue: C-phycocyanins and allophycocyanin and red: phycoerythrins). For this purpose, experiments simple to execute have been developed to make the colourful world of photopigments visible to the students from upper secondary level. The article reports a rapid and reproducible solid-liquid extraction of photosynthetic pigments and phycobiliproteins from inexpensive, retail powdered amounts of Chlorella vulgaris (Chlorella, microalgae), Arthrospira platensis (Spirulina, cyanobacteria), and Palmaria palmata (Dulse; macroalgae) using solvents of different polarities. The concentration of the respective pigments and phycobiliproteins in the extract solutions is determined photometrically using a low-cost method based on established methods from research. Furthermore, a column chromatography was developed, which allows the preparation of the pigment and phycobiliprotein extracts from A. platensis. This procedure is based on the established "supermarket column" and was optimized according to the use of powdered amounts of A. platensis. The challenge was to choose the appropriate eluents, suitable material to fill the column and to adjust the elution time according to the different physical and chemical properties of the photopigments and phycobiliproteins. Thus, in summary, the article presents two attractive, complementary methods for the extraction and quantification of photopigments and phycobiliproteins from phototrophic micro- and macroalgae that can be used in both university and school educational settings.

L. Geuer, N. Erdmann, M. Lorenz, H. Albrecht, T. Schanne, M. Cwienczek, D. Geib, D. Strieth*, R. Ulber; Colourful diversity – Modified methods for extraction and quantification of photopigments and phycobiliproteins isolated from phototrophic micro- and macroalgae; The Journal for Chemical Education (2022); im Druck