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Mechanismen der Photosynthese

Bakterien als lebendes Photosynthese-Labor

| Redakteur: Christian Lüttmann

Die pflanzliche Photosynthese birgt noch viele Rätsel. Um Antworten zu kommen, haben Forscher der Universität München ihre Experimente in ein lebendes Labor ausgelagert: In Cyanobakterien. Welche Vorteile das hat und was die Forscher dort herausgefunden haben, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Professor Dario Leister untersucht in seinem Labor in Martinsried Prozesse der Photosynthese.
Professor Dario Leister untersucht in seinem Labor in Martinsried Prozesse der Photosynthese.
(Bild: ole/LMU)

München – Bei der natürlichen Photosynthese ist der zyklische Elektronfluss von zentraler Bedeutung. Allerdings war bislang unklar, welche Bestandteile ihn vom linearen Elektronentransport unterscheiden und wie er genau reguliert wird. DerBiologe Prof. Dr. Dario Leister wies nun erstmals mithilfe seines Teams von der Ludwig-Maximilians-Universität München nach, dass zwei bestimmte Proteine den zyklischen Elektronentransport in Pflanzen tatsächlich kontrollieren: PGRL1 und PGR5 waren in den vergangenen Jahren im Labor von Leister und von japanischen Forschern schon als wichtige Protagonisten bei der Photosynthese identifiziert worden.

In Pflanzen ist der zyklische Elektronentransport konkret für die Bereitstellung von Energie zuständig: Es ist ein zentraler Weg des Elektronenflusses während der Lichtreaktionen der Photosynthese. Wenn Pflanzen Stress haben, Schäden reparieren müssen oder sich die Umweltbedingungen ändern, sind sie auf ihn angewiesen. „Wenn er ausfällt, geht es den Pflanzen schnell sehr schlecht“, sagt Leister.

Versuche in einfacheres „Labor“ verlagert

Da zyklischer Elektronenfluss in Pflanzen extrem schwer direkt zu messen ist, nutzten die Biologen Cyanobakterien als Modellsystem für ihren Nachweis. Cyanobakterien sind Vorfahren der Chloroplasten – den „Photosynthese-Fabriken“ in den Pflanzen. Ihre molekularen Mechanismen ähneln daher denen von Pflanzen, seien aber deutlich weniger komplex, wie Leister erklärt: „Das sind Systeme, die eine einfachere Photosynthese haben.“

In diese Bakterien schleusten die Biologen die beiden Pflanzen-Proteine ein und analysierten deren Zusammenspiel. „Wir waren überrascht, als wir dort so etwas wie zyklischen Elektronentransport messen konnten“, sagt der Wissenschaftler. „Damit konnten wir eindeutig nachweisen, dass tatsächlich diese beiden Proteine eine Schlüsselrolle beim zyklischen Elekronentransport haben.“ Gleichzeitig zeigte sich, dass diese beiden Proteine auch ausreichen, um mit dem bereits vorhandenen Material in den Bakterien den zyklischen Elektronentransport anzukurbeln. Es sind folglich keine weiteren speziellen Proteine aus der Pflanze dazu notwendig.

Fehlendes Protein gefunden

Ein weiteres Rätsel, was das Team um Leister gelöst hat, betrifft das in die Bakterien eingeschleuste Protein PGRL1. Dieses kommt in Cyanobakterien normalerweise gar nicht vor. Aber trotzdem gelingt ihnen zyklischer Ekeltronentransport, obwohl der doch bei Pflanzen offensichtlich von PGR5 und PGRL1 abhängt, wie die Experimente der Forscher zeigten.

In ihrer Studie fanden sie nun ein wichtiges Detail heraus: Auch in Cyanobakterien gibt es ein zweites Protein, das offenbar eine ähnliche Funktion wie PGRL1 in Pflanzen hat. Es weist mit diesem aber nur noch eine geringe Ähnlichkeit auf. Leister und sein Kollege Marcel Dann konnten dieses SII1217 genannte Protein erstmals beschreiben.

Schnellere Ergebnisse dank Cyanobakterien

Die neuen Erkenntnisse sollen auch praktische Anwendungen bringen. So hat sich Leister in seinem neuen Projekt „PhotoRedesign“ zum Ziel gesetzt, Prozesse der Photosynthese zu verbessern und Konzepte zu entwickeln, wie sich das Sonnenlicht photochemisch besser nutzen lässt. „Wir versuchen, besser zu sein als die Natur, indem wir das Beste aus verschiedenen Photosynthese-Systemen kombinieren“, sagt der Biologe.

Das nun genutzte Modellsystem der veränderten Cyanobakterien gibt mehr Möglichkeiten für Experimente. „In Bakterien können wir den zyklischen Elektronentransport der Pflanzen experimentell mit gentechnischen Methoden innerhalb weniger Wochen verändern. Unser verändertes Cyanobakterium ist wie ein lebendes Labor, in dem man zyklischen Elektronentransport sehr schnell verändern kann. In Pflanzen würden solche Versuche Jahre dauern“, erklärt der Wissenschaftler. Lösungen im Bakterium lassen sich dann wieder zurück in die Pflanze übertragen. „Das spart nicht nur extrem viel Zeit, sondern ermöglicht Experimente, die in Pflanzen gar nicht möglich sind.“

Originalpublikation: Marcel Dann & Dario Leister: Evidence that cyanobacterial Sll1217 functions analogously to PGRL1 in enhancing PGR5-dependent cyclic electron flow, Nature Communications, Volume 10, Article number: 5299 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-13223-0

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