Wissenschaftler erforschen die Photosynthese für ein besseres Pflanzenwachstum unter künstlichem Licht

Die Photosynthese, der Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und bestimmte Arten von Bakterien Sonnenstrahlung in chemische Energie umwandeln, muss sich an Veränderungen in der Intensität des Sonnenlichts anpassen, um dessen effiziente Nutzung sicherzustellen.

Genau wie unsere Pupillen, die auf unterschiedlich starke Lichteinwirkung mit Erweiterung oder Verengung reagieren, verändern sich Organellen in Pflanzenzellen als Reaktion auf Sonnenlicht. Aber im Gegensatz zu uns können Pflanzen ihren Blick nicht abwenden oder sich im Schatten ausruhen, um übermäßig intensiver Sonneneinstrahlung zu entgehen; Sie müssen mit unterschiedlicher Sonneneinstrahlung und deren Abwesenheit in der Nacht zurechtkommen.

Ohne Photosynthese wäre das Leben, wie wir es auf der Erde kennen, unmöglich. Dieser Prozess ist nicht nur für die Erzeugung des größten Teils des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre verantwortlich, sondern sichert auch die Nahrungsverfügbarkeit, bindet Kohlenstoff aus der Atmosphäre und mildert die Auswirkungen des Klimawandels. Das Verständnis der Photosynthese in all ihren Feinheiten ist daher von entscheidender Bedeutung für die Bewältigung der bevorstehenden Herausforderungen, vor denen unser Planet steht.

Die im Labor von Prof. Ziv Reich in der Abteilung für Biomolekularwissenschaften des Weizmann Institute of Science durchgeführte Forschung zielt darauf ab, die Geheimnisse der Photosynthese aufzudecken, damit sie effizienter zur Befriedigung der Bedürfnisse der Menschheit genutzt oder durch künstliche Methoden nachgeahmt werden kann, die natürliche Photosyntheseprozesse nachahmen würden.

Bei der Photosynthese wird die Nutzung der Kraft der Sonne durch den Elektronenfluss von einem Protein zum anderen innerhalb einer Organelle namens Chloroplasten ermöglicht. Dieses Organell enthält ein komplexes System von Membranen, von denen einige dicht gestapelt und andere in ausgedehnteren Anordnungen organisiert sind.

Bisher herrschte wissenschaftlicher Konsens darüber, dass diese räumliche Struktur die Elektronen dazu zwingt, große Entfernungen zwischen Proteinen zurückzulegen, was den Prozess der Photosynthese verlangsamt. Aber kürzlich in einem Artikel veröffentlicht In Naturpflanzenein Forschungsteam unter der Leitung des wissenschaftlichen Mitarbeiters Dr. Reinat Nevo aus Reichs Labor, enthüllte, dass die Membranen beim Übergang von Dunkelheit zu Licht ihre Organisation im Raum ändern, was es den Proteinen ermöglicht, einander näher zu kommen und so die Distanz zu verkürzen, die die Elektronen zurücklegen müssen .

Diese Entdeckungen wurden gemacht, als die Forscher die Chloroplastenmembranen unter einem Kryo-Rasterelektronenmikroskop untersuchten und die Ausrichtung der Proteine ​​in den Membranen sowohl bei Licht als auch bei Dunkelheit verglichen.

„Als wir die Proteindichte untersuchten, stellten wir fest, dass die Proteine ​​selbst nicht, wie bisher angenommen, ihre Position veränderten – die Veränderung erfolgte vielmehr in der Art und Weise, wie die Membranen im Raum organisiert waren“, erklärt Nevo.

Weitere Tests, diesmal mit einem Transmissionselektronenmikroskop, bestätigten die Hypothese der Forscher und zeigten, dass sich Membranen tatsächlich im Raum neu anordnen und die Proteine ​​einander näher bringen. Offensichtlich liegt einer der Gründe dafür, dass die Proteine ​​nicht dauerhaft in unmittelbarer Nähe zueinander sind – und dass sich die Membranen bei Dunkelheit voneinander distanzieren – darin, dass die Distanz die Proteine ​​schützt, indem sie sie isoliert, wenn das Licht schwach ist und wenig Photosynthese betreibt Aktivität stattfindet.

Nachdem das Forscherteam herausgefunden hatte, wie sich Membranen je nach Lichtverhältnissen neu ausrichten, führte es ein Experiment mit zwei Gruppen gentechnisch veränderter Pflanzen durch: eine, bei der die räumliche Struktur der Chloroplastenmembranen in einem aktiven Licht- und Photosynthesemodus „gesperrt“ ist, und eine andere, bei der Die Membranen sind in einem permanenten Dunkelheitsmodus angeordnet, der verhindert, dass sie sich einander annähern. Die Pflanzen in der ersten Gruppe wurden größer und führten mehr Photosynthese durch als ihre Gegenstücke im Dunkelmodus.

Nevo und ihre Kollegen wollen künftig untersuchen, ob gentechnisch veränderte Pflanzen, bei denen die räumliche Struktur von Membranen reguliert wird, bei relativ schwachem Licht gezüchtet werden können. Dies könnte dazu beitragen, beim Anbau von Pflanzen unter künstlichem Licht Energie zu sparen – ein Bedarf, der durch den Klimawandel entstehen könnte.

Diese Studie ist dem Andenken von Dr. Eyal Shimoni gewidmet, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter in der Abteilung für chemische Forschungsunterstützung bei Weizmann, der wesentliche Kenntnisse in der Mikroskopie in diese Forschung einbrachte, bevor er 2023 vorzeitig verstarb.

Weitere Teilnehmer waren Dr. Yuval Garty und Yuval Bussi von Reichs Gruppe; Dr. Smadar Levin-Zaidman von der Abteilung für chemische Forschungsunterstützung; Prof. Helmut Kirchhoff von der Washington State University; und Dr. Dana Charuvi vom Volcani Institute, Rishon LeZion, Israel.