Forscher entdecken, wie photosynthetische Organismen ATP regulieren und synthetisieren

ATP, die für das Funktionieren photosynthetischer Organismen wie Pflanzen, Algen und Cyanobakterien essentielle Verbindung, wird von einem Enzym namens „Chloroplasten-ATP-Synthase“ (CFoCF1) produziert. Um die ATP-Produktion unter variierenden Lichtbedingungen zu steuern, verwendet das Enzym einen Redox-Regulationsmechanismus, der die ATP-Syntheseaktivität als Reaktion auf Änderungen im Redoxzustand von Cystein (Cys)-Resten modifiziert, die unter reduzierenden (Licht-) Bedingungen als Dithiole vorliegen, sich aber bilden eine Disulfidbindung unter oxidierenden (dunklen) Bedingungen. Dieser Mechanismus ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.

Nun, in einer Studie veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Scienceshat ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung von Prof. Toru Hisabori vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) die Rolle der in CFoCF1 vorhandenen Aminosäuresequenzen aufgedeckt und enthüllt, wie das Enzym die ATP-Produktion in photosynthetischen Organismen reguliert.

Um zu verstehen, wie die Konformation der in CFoCF1 vorhandenen Aminosäuren zum Redoxregulationsmechanismus beiträgt, verwendeten die Forscher die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii zur Herstellung des Enzyms. „Durch Nutzung der leistungsstarken Genetik von Chlamydomonas reinhardtii als Modellorganismus für die Photosynthese führten wir eine umfassende biochemische Analyse des CFoCF1-Moleküls durch“, erklärt Prof. Hisabori.

Mit der Alge als Wirtsorganismus führte das Team Plasmide (extrachromosomale DNA-Moleküle, die sich unabhängig replizieren können) ein, die die F1-Komponente des CFoCF1-Proteins codierten, nämlich den Teil des Enzyms, der katalytische Stellen für die ATP-Synthese enthält. Sie führten zusätzlich mutierte Versionen des Gens ein, um die Aminosäuresequenzen des Proteins zu verändern, wobei sie speziell auf das DDE-Motiv (ein Cluster aus negativ geladenen Aminosäuren), die Redoxschleife und die β-Haarnadeldomäne abzielten.

Anschließend reinigten sie CFoCF1 und erzeugten fünf verschiedene Variationen davon, darunter einen Wildtypstamm ohne Änderungen an der Aminosäuresequenz und vier Mutantenstämme: einen mit dem DDE-Motiv ersetzt durch neutrale Aminosäuren, Asn-Asn-Gln, einen ohne die β-Haarnadeldomäne, eine ohne die Redoxschleife und eine, der sowohl die Redoxschleife als auch die β-Haarnadeldomäne fehlen.

Beim Testen der ATP-Syntheseaktivität dieser Mutanten unter reduzierenden (Nachahmung der Lichtbedingungen) und oxidierenden (Nachahmung der dunklen Bedingungen) Bedingungen stellten die Forscher fest, dass das Wildtyp-Enzym und das mutierte Enzym mit Änderungen am DDE-Motiv normal funktionierten (gezeigt hohe Aktivität bei Reduktion und geringe Aktivität bei Oxidation). Die Enzymkomplexe ohne die Redox-Schleife oder die β-Haarnadeldomäne zeigten jedoch keine Redox-Antwort, was darauf hinweist, dass beide Regionen am Redox-Regulationsmechanismus beteiligt waren.

Die Forscher schlugen vor, dass die Disulfidbindung zwischen den Cys-Resten unter dunklen Bedingungen die Redoxschleife starr macht und die Wechselwirkung zwischen der Redoxschleife und der β-Haarnadel schwächt. Dadurch bleibt die β-Haarnadel in einem Hohlraum im Protein stecken. Wenn jedoch die Disulfidbindung in Gegenwart von Licht reduziert wird, gewinnt die Redoxschleife ihre Flexibilität zurück und zieht die β-Haarnadel aus dem Hohlraum, wodurch sie an der ATP-Syntheseaktivität teilnehmen kann.

„Die Redox-Regulierung der ATP-Synthese wird durch eine kooperative Interaktion zwischen zwei Domänen der γ-Untereinheit von CFoCF1 erreicht, die für photosynthetische Organismen einzigartig ist“, sagt Prof. Hisabori. „Wir schlagen vor, dass es aus der Wechselwirkung der β-Haarnadel und der Redoxschleife mit der katalytischen Stelle resultiert.“

Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis des Photosyntheseprozesses mit dem Potenzial für erhebliche Auswirkungen auf die Bereiche Landwirtschaft und Bioenergie.