Alte gelbe Enzyme sind seit fast 100 Jahren bekannt, ihre Funktion in Organismen ist jedoch weitgehend unbekannt geblieben. Ein Bochumer Forscherteam hat erste Erkenntnisse zu Mikroalgen veröffentlicht.
Old Yellow Enzymes (OYEs) wurden in den 1930er Jahren entdeckt und sind seitdem Gegenstand vieler Forschungen. Denn diese durch ein Hilfsmolekül gelb gefärbten Biokatalysatoren sind in der Lage, Reaktionen durchzuführen, die für die chemische Industrie sehr wertvoll sind, etwa die Herstellung von Medikamentenvorläufern oder Duftstoffen.
Obwohl OYEs in vielen Organismen vorkommen, ist ihre natürliche Rolle für diese Organismen bisher kaum verstanden – möglicherweise, weil der Forschungsschwerpunkt auf ihrer biotechnologischen Anwendung lag.
Forscher um Privatdozentin Dr. Anja Hemschemeier und Professor Thomas Happe von der Ruhr-Universität Bochum haben nun gezeigt, dass ein OYE der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii für diesen pflanzlichen Mikroorganismus unerlässlich ist, um sich vor photooxidativem Stress zu schützen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift Pflanzen direkt.
OYEs in Mikroalgen nutzen Energie aus der Photosynthese
„Unsere Forschungsgruppe gehört zu den ersten, die OYEs in Algen untersucht haben“, sagt Dr. Stefanie Böhmer, Erstautorin der Studie. „Zunächst wollten wir herausfinden, ob sich diese Biokatalysatoren auch für industrielle Prozesse eignen. Uns interessierte insbesondere, ob Mikroalgen die Energie der Photosynthese nutzen können, um die entsprechenden chemischen Reaktionen anzutreiben. Das könnte helfen, umweltfreundlichere Produktionen zu etablieren.“
Das konnten die Forscher tatsächlich nachweisen: Ein chemisches Molekül, das lebenden Algenzellen zugesetzt wurde, wurde im Licht nur mit hohen Raten umgewandelt. „Dieses Ergebnis weist auch darauf hin, dass die sogenannten En-Reduktasen der Algen, die für diese Umwandlung verantwortlich sind, mit der Photosynthese in Verbindung stehen“, sagt Böhmer. Die Forscher der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie untersuchten daher, wie sich ein Algenstamm, bei dem ein OYE-Biokatalysator defekt ist, an starkes Licht anpasst.
Überschüssige Lichtenergie muss abgeführt werden
In Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Leipzig konnte das Bochumer Forscherteam tatsächlich zeigen, dass dieser Algenstamm kaum in der Lage ist, überschüssige Lichtenergie abzubauen.
„Photosynthetische Organismen wie Algen und Pflanzen müssen stets ein Gleichgewicht zwischen aufgenommener Lichtenergie und ihrer Umwandlung in chemische Energie aufrechterhalten“, erklärt Studienleiterin Anja Hemschemeier. „Ansonsten kommt es bei zu starkem Licht zu oxidativen Zellschäden. Daher verfügen diese Organismen über ausgeklügelte Schutzmechanismen, um überschüssige Lichtenergie beispielsweise als Wärme abzuführen.“
Bei dem Mikroalgenstamm ohne OYE konnten die Forscher kaum einen dieser Schutzmechanismen nachweisen, der Stamm wies dementsprechend oxidative Schäden auf. „Wir vermuten, dass ein bestimmtes Molekül, das normalerweise von diesem Biokatalysator in den Algenzellen umgesetzt wird, für das photosynthetische Gleichgewicht essentiell ist“, sagt Hemschemeier.
Dem will das Forscherteam nun auf den Grund gehen. „Photosynthetische Organismen bilden die Grundlage unseres Lebens. Es ist sehr wichtig zu verstehen, wie sie sich an Stress anpassen, und wir glauben, hier ein weiteres Puzzleteil gefunden zu haben“, schließt Hemschemeier.
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Stefanie Böhmer et al., Chlamydomonas reinhardtii-Mutanten mit Mangel an Old Yellow Enzyme 3 zeigen erhöhten photooxidativen Stress, Pflanzen direkt (2023). DOI: 10.1002/pld3.480