Forscher helfen bei der Enthüllung eines „Bauplans“ für die Photosynthese

Neue Erkenntnisse über Mikroben namens Cyanobakterien bieten neue Möglichkeiten für die Pflanzenwissenschaft, die Biotechnik und den Umweltschutz

Forscher der Michigan State University und Kollegen an der University of California Berkeley, der University of South Bohemia und dem Lawrence Berkeley National Laboratory haben dazu beigetragen, das bisher detaillierteste Bild wichtiger biologischer „Antennen“ zu enthüllen.

Die Natur hat diese Strukturen entwickelt, um die Energie der Sonne durch Photosynthese zu nutzen, aber diese Sonnenlichtempfänger gehören nicht zu Pflanzen. Sie kommen in Mikroben vor, die als Cyanobakterien bekannt sind, den evolutionären Nachkommen der ersten Organismen auf der Erde, die Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid aufnehmen und in Zucker und Sauerstoff umwandeln können.

Veröffentlicht am 31. August in der Zeitschrift Naturwerfen die Ergebnisse sofort ein neues Licht auf die mikrobielle Photosynthese – insbesondere darauf, wie Lichtenergie eingefangen und dorthin geleitet wird, wo sie benötigt wird, um die Umwandlung von Kohlendioxid in Zucker anzutreiben. In Zukunft könnten die Erkenntnisse Forschern auch dabei helfen, schädliche Bakterien in der Umwelt zu beseitigen, künstliche photosynthetische Systeme für erneuerbare Energien zu entwickeln und Mikroben für eine nachhaltige Produktion einzusetzen, die mit den Rohstoffen Kohlendioxid und Sonnenlicht beginnt.

„Es besteht großes Interesse daran, Cyanobakterien als solarbetriebene Fabriken zu nutzen, die Sonnenlicht einfangen und in eine Art Energie umwandeln, die zur Herstellung wichtiger Produkte verwendet werden kann“, sagte Cheryl Kerfeld, Hannah Distinguished Professor of Structural Bioengineering am College of Natural Wissenschaft. „Mit einer Blaupause wie der, die wir in dieser Studie bereitgestellt haben, können Sie anfangen, über die Abstimmung und Optimierung der Lichtsammelkomponente der Photosynthese nachzudenken.“

„Sobald Sie sehen, wie etwas funktioniert, haben Sie eine bessere Vorstellung davon, wie Sie es modifizieren und manipulieren können. Das ist ein großer Vorteil“, sagte Markus Sutter, Senior Research Associate im Kerfeld Lab, das an der MSU und dem Berkeley Lab in arbeitet Kalifornien.

Die Phycobilisomen genannten Antennenstrukturen von Cyanobakterien sind komplexe Ansammlungen von Pigmenten und Proteinen, die sich zu relativ massiven Komplexen zusammenfügen.

Seit Jahrzehnten arbeiten Forscher daran, die verschiedenen Bausteine ​​von Phycobilisomen zu visualisieren, um zu versuchen zu verstehen, wie sie zusammengesetzt sind. Phycobilisomen sind zerbrechlich, was diesen schrittweisen Ansatz erfordert. In der Vergangenheit waren Forscher nicht in der Lage, die hochauflösenden Bilder von intakten Antennen zu erhalten, die erforderlich sind, um zu verstehen, wie sie Lichtenergie einfangen und weiterleiten.

Dank eines internationalen Expertenteams und Fortschritten in einer Technik, die als Kryo-Elektronenmikroskopie bekannt ist, ist die Struktur einer cyanobakteriellen Lichtsammelantenne nun mit nahezu atomarer Auflösung verfügbar. Dem Team gehörten Forscher der MSU, des Berkeley Lab, der University of California, Berkeley und der University of South Bohemia in der Tschechischen Republik an.

„Wir hatten das Glück, ein Team zu sein, das sich aus Menschen mit komplementärem Fachwissen zusammensetzte, Menschen, die gut zusammengearbeitet haben“, sagte Kerfeld, der auch Mitglied des MSU-DOE Plant Research Laboratory ist, das vom US-Energieministerium unterstützt wird. „Die Gruppe hatte die richtige Chemie.“

„Eine lange Reise voller netter Überraschungen“

„Diese Arbeit ist ein Durchbruch auf dem Gebiet der Photosynthese“, sagte Paul Sauer, Postdoktorand im Labor für kryogene Elektronenmikroskopie von Professor Eva Nogales am Berkeley Lab und der UC Berkeley.

„Die vollständige Lichtsammelstruktur der Antenne eines Cyanobakteriums fehlte bisher“, sagt Sauer. „Unsere Entdeckung hilft uns zu verstehen, wie die Evolution Wege gefunden hat, Kohlendioxid und Licht in Bakterien in Sauerstoff und Zucker umzuwandeln, lange bevor Pflanzen auf unserem Planeten existierten.“

Neben Kerfeld ist Sauer korrespondierender Autor des neuen Artikels. Das Team dokumentierte mehrere bemerkenswerte Ergebnisse, darunter die Entdeckung eines neuen Phycobilisom-Proteins und die Beobachtung von zwei neuen Wegen, auf denen das Phycobilisom seine lichteinfangenden Stäbchen ausrichtet, die zuvor noch nicht aufgeklärt worden waren.

„Es sind 12 Seiten voller Entdeckungen“, sagte María Agustina Domínguez-Martín von der Natur Bericht. Als Postdoktorand im Kerfeld Lab initiierte Domínguez-Martín die Studie an der MSU und brachte sie am Berkeley Lab zum Abschluss. Derzeit ist sie im Rahmen des Marie Skłowdoska-Curie Postdoctoral Fellowship an der Universität Cordoba in Spanien. „Es war eine lange Reise voller netter Überraschungen.“

Eine Überraschung war beispielsweise, wie ein relativ kleines Protein als Überspannungsschutz für die massive Antenne fungieren kann. Vor dieser Arbeit wussten die Forscher, dass das Phycobilisom Moleküle namens Orangen-Carotinoid-Proteine ​​oder OCPs einschließen kann, wenn das Phycobilisom zu viel Sonnenlicht absorbiert hat. Die OCPs geben die überschüssige Energie als Wärme ab und schützen das Photosynthesesystem eines Cyanobakteriums vor dem Verbrennen.

Bisher wurde darüber diskutiert, wie viele OCPs das Phycobilisom binden könnte und wo diese Bindungsstellen waren. Die neue Forschung beantwortet diese grundlegenden Fragen und bietet potenziell praktische Erkenntnisse.

Diese Art von Überspannungsschutzsystem – das Photoprotektion genannt wird und Analoga in der Pflanzenwelt hat – neigt natürlich dazu, verschwenderisch zu sein. Cyanobakterien schalten ihren Lichtschutz nur langsam aus, nachdem er seine Arbeit getan hat. Jetzt, mit dem vollständigen Bild der Funktionsweise des Überspannungsschutzes, können Forscher Wege entwickeln, um einen „intelligenten“, weniger verschwenderischen Lichtschutz zu entwickeln, sagte Kerfeld.

Und obwohl Cyanobakterien dazu beitragen, den Planeten für Menschen und unzählige andere Organismen, die Sauerstoff zum Überleben benötigen, bewohnbar zu machen, haben sie eine dunkle Seite. Cyanobakterienblüten in Seen, Teichen und Stauseen können Giftstoffe produzieren, die sowohl für einheimische Ökosysteme als auch für Menschen und ihre Haustiere tödlich sind. Eine Blaupause darüber zu haben, wie die Bakterien nicht nur die Energie der Sonne sammeln, sondern sich auch vor zu viel davon schützen, könnte zu neuen Ideen inspirieren, um schädliche Blüten anzugreifen.

Neben den neuen Antworten und möglichen Anwendungen, die diese Arbeit bietet, sind die Forscher auch gespannt auf die neuen Fragen, die sie aufwirft, und die Forschung, die sie inspirieren könnte.

„Wenn Sie sich das wie Lego vorstellen, können Sie weiter aufbauen, oder? Die Proteine ​​​​und Pigmente sind wie Blöcke, aus denen das Phycobilisom besteht, aber das ist dann Teil des Photosystems, das sich in der Zellmembran befindet, die Teil der gesamten Zelle ist “, sagte Sutter. „Wir klettern gewissermaßen die Maßstabsleiter nach oben. Wir haben etwas Neues auf unserer Sprosse gefunden, aber wir können nicht sagen, dass wir das System eingerichtet haben.“

„Wir haben einige Fragen beantwortet, aber wir haben die Türen zu anderen geöffnet, und das macht es für mich zu einem Durchbruch“, sagte Domínguez-Martín. „Ich bin gespannt, wie sich das Feld von hier aus entwickelt.“