Forscher entdecken, dass die Umwandlung von Licht in Energie bei vielen aquatischen Mikroben komplexer ist als bisher bekannt war

Pflanzen wandeln Licht durch Photosynthese in eine Form von Energie um, die sie nutzen können – ein Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP). Dies ist ein komplexer Prozess, bei dem auch Zucker, den die Pflanze später als Energie nutzen kann, und Sauerstoff produziert werden. Einige Bakterien, die in den lichtexponierten Schichten von Wasserquellen leben, können ebenfalls Licht in ATP umwandeln, aber der Prozess, den sie verwenden, ist einfacher und weniger effizient als die Photosynthese. Nichtsdestotrotz stellen Forscher des Technion – Israel Institute of Technology nun fest, dass dieser Prozess nicht so einfach und begrenzt ist, wie man früher dachte.

Rhodopsine sind die lichtgetriebenen Protonenpumpen, die Bakterien zur Produktion von ATP einsetzen. Während die Photosynthese ein Prozess ist, der mehrere Stufen und Proteine ​​umfasst, führt das Rhodopsin alles selbst aus. Effizienter ist es nicht, sondern eher der Unterschied zwischen einer mittelalterlichen Werkstatt und einer modernen Fabrik. Die Rhodopsine werden durch ein Molekül namens „Retinal“ aktiviert, das Licht absorbiert. Insbesondere in diesen Proteinen absorbiert die Netzhaut grünes Licht. Ein anderes Molekül, eine Carotinoid-„Antenne“, kann es ihm ermöglichen, auch blaues Licht zu absorbieren, wodurch die Energiemenge erhöht wird, die das Rhodopsin produzieren kann.

Allerdings wurden diese Antennen bisher nur in zwei seltenen Bakterienarten gefunden, während die Hälfte der Bakterien, die auf Ozean- und Seeoberflächen leben, ein Rhodopsin-Gen enthalten.

Dem Doktoranden Ariel Chazan, der unter der Leitung von Professor Oded Béjà von der Technion-Fakultät für Biologie arbeitete, erschien dies seltsam. Licht im blauen Bereich absorbieren zu können ist von Vorteil, da blaues Licht tiefer in das Wasser eindringt. Und Carotinoide sind in der Natur weit verbreitet. Könnte es sein, dass ein hilfreiches Werkzeug herumliegt und keine Bakterien es aufnehmen würden? Herr Chazan stellte die Hypothese auf, dass die von vielen Bakterien verwendeten Antennen noch nicht entdeckt wurden. Und er machte sich auf die Suche nach ihnen.

Wie findet man ein Molekül, ohne genau zu wissen, wonach man sucht? Herr Chazan ging fischen. Er sammelte Wasser aus dem Lake Kinneret und isolierte bekannte Rhodopsin-Protonenpumpen. Dann benutzte er sie als Köder, um im selben Wasser nach potenziellen Antennen zu fischen. Gesucht waren Moleküle, die sich an die Rhodopsine anlagerten und deren Energieausbeute unter blauem Licht gesteigert wurde. Er fand viele. Viele Varianten von Molekülen, mit denen Wissenschaftler im Zusammenhang mit Rhodopsinen nicht vertraut waren und die Mikroben anscheinend nutzten, um mehr Energie aus dem Licht zu gewinnen, dem sie ausgesetzt waren.

Es ist eine Sache, dass im Lake Kinneret etwas passiert. Aber wenn dasselbe in Ozeanen auf der ganzen Welt passiert, ist das bahnbrechend. Herr Chazan fuhr daher fort, die gleichen Experimente mit Ozeanwasser durchzuführen. Er arbeitete auch daran, etwas anderes zu beweisen: dass die von ihm gefundenen Moleküle nicht nur im Reagenzglas, sondern auch in lebenden Zellen wirksame Rhodopsin-Antennen waren. Alle Versuche verliefen positiv.

„Dies ist neues Wissen über die Primärproduzenten auf der Erde – die Organismen, die für Lebewesen verfügbare Energie aus anorganischen Energiequellen produzieren. Andere Organismen essen diese und nutzen so die Energie, die bereits im System vorhanden ist. Wir haben also herausgefunden, dass mehr Energie vorhanden ist in die Nahrungskette eindringt, als bisher bekannt war“, erklärte Herr Chazan die Bedeutung seiner Entdeckung. Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist sich einig, dass diese Studie weitreichende Auswirkungen hat, und sie wurde kürzlich in veröffentlicht Natur.

Die Arbeit wurde von einem internationalen Team durchgeführt, darunter Gruppen aus Japan, Spanien und Israel. Die von Herrn Chazan angewandte „Fischerei“-Methodik ist alt, fast schon überholt. „Die Leute waren etwas skeptisch, als ich es vorschlug“, sagte er.

„Aber ich mag es, bestehende Techniken auf eine Weise anzuwenden, die vorher nicht verwendet wurde. Wir sollten alte Werkzeuge nicht vergessen, nur weil es etwas Neueres und Glänzenderes in unserer Werkzeugkiste gibt. Ins Feld zu gehen und zu sehen, was uns die Natur gibt, erfordert mehr Mühe als saubere, industriell hergestellte Bausätze zu bestellen und alles im Labor zu erledigen. Aber diese sterilen Bausätze sind weiter von der Natur entfernt, die wir studieren wollen, und Dinge gehen im Übergang verloren.“