Die Photosynthese ist das Mittel, mit dem Pflanzen, Algen und Cyanobakterien ihre „Nahrung“ in Form von energiereichen Biomolekülen aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser gewinnen. Es ist ein komplexer Vorgang, dem Forscher noch viele neue Details entlocken. Ein Team um die LMU-Biologen Thilo Rühle, Bennet Reiter und Prof. Dario Leister hat nun ein weiteres Puzzleteil dieses essentiellen Prozesses gelöst und die Rolle des Hilfsfaktors CGL160 aufgeklärt, wie die Wissenschaftler im Journal berichten Die Pflanzenzelle.
Die Photosynthese findet in mehreren Teilreaktionen an den sogenannten Thylakoidmembranen in den Chloroplasten statt, wo verschiedene Pigmente die elektromagnetische Strahlung des Sonnenlichts absorbieren. Spezifische Proteinkomplexe in Verbindung mit ATP-Synthasen wandeln diese Lichtenergie dann in chemische Energie in Form von ATP um. Dadurch kann die Pflanze unter anderem Kohlenhydrate als energiereichen „Treibstoff“ für die Zellatmung synthetisieren. Als „molekulare Maschinen“ sind ATP-Synthasen daher ein wichtiger Bestandteil des pflanzlichen Stoffwechsels.
Wie ATP-Synthasen in der Zelle zusammengesetzt werden, ist noch nicht vollständig geklärt. Anhand des Modellorganismus Arabidopsis thaliana konnten die Forscher nun zeigen, dass das Protein CGL160 dabei eine Schlüsselrolle spielt, indem es den Kopplungsfaktor CF1 der ATP-Synthase rekrutiert.
„Das Protein CGL160 sitzt mit seiner Basis in der Thylakoidmembran, während seine N-terminale Domäne wie ein Stab herausragt und den löslichen CF1-Anteil der ATP-Synthasen aus der Flüssigkeit innerhalb der Chloroplasten fischt. Dieser Teil des Proteins bindet das CF1. headpiece‘ und erleichtert die Verknüpfung mit dem in der Thylakoidmembran eingebetteten Anteil der ATP-Synthase, wodurch dessen Bildung erheblich effizienter wird“, erklärt Thilo Rühle.
Evolutionäre Wurzeln und Anpassungen
Auch unter ungünstigen Wachstumsbedingungen erweist sich die Anwesenheit von Hilfsfaktoren wie CGL160 als vorteilhaft: Die LMU-Biologen fanden heraus, dass ein Fehlen von CGL160 mit seiner CF1-bindenden Funktion bei Lichtmangel die Entwicklung von Chloroplasten negativ beeinflusst.
„Wir haben beobachtet, dass die Chloroplastenstruktur entsprechender Mutanten an kurzen Tagen mit nur acht Stunden Tageslicht stärker leidet. Wir stellen daher die Hypothese auf, dass die Interaktion zwischen der N-terminalen Domäne von CGL160 und CF1 auch eine evolutionäre Anpassung ist, die es Pflanzen ermöglicht, damit umzugehen besser bei verschiedenen Lichtverhältnissen“, sagt Rühle.
Die Forscher fanden auch Hinweise auf den evolutionären Ursprung von CGL160. In Experimenten mit Arabidopsis thaliana gelang es ihnen, die Membrandomäne von CGL160 funktionell durch das Atp1-Protein aus Cyanobakterien der Gattung Synechocystis zu ersetzen.
„Rund 80 Prozent der Funktion lassen sich so wiederherstellen. Das deutet darauf hin, dass CGL160 in Landpflanzen möglicherweise von einem Vorgängerprotein von Cyanobakterien stammt“, sagt Rühle. Tatsächlich haben Pflanzenzellen ihre Chloroplasten durch Einbau und funktionelle Integration von Cyanobakterien erworben.
Möglicher Weg zur Regulation der Photosynthese
Dies setzte die Entstehung eines komplexen Syntheseplans für photosynthetische Maschinen in Gang. Um diesen Plan besser zu verstehen, wollen die LMU-Biologen nun neben CGL160 und einer Handvoll anderer derzeit bekannter Faktoren alle Hilfsfaktoren identifizieren, die für den Aufbau und die Funktion von ATP-Synthasen in pflanzlichen Thylakoidmembranen wichtig sind.
„Wir gehen davon aus, dass hier viel weniger Faktoren eine Rolle spielen als bei den Photosystemen selbst – dementsprechend ist die ATP-Synthase ein einfacher möglicher Weg zur Regulation der Photosynthese“, sagt Rühle. „Dieses Wissen könnten Menschen in Zukunft für verschiedene Anwendungen nutzen, etwa um Pflanzen so zu modifizieren, dass sie ihren ATP-Bedarf auch unter Belastungen wie Hitze oder extremen Lichtverhältnissen optimal decken können.“
Mehr Informationen:
Bennet Reiter et al., CGL160-vermittelte Rekrutierung des Kopplungsfaktors CF1 ist für eine effiziente Thylakoid-ATP-Synthase-Montage, Photosynthese und Chloroplastenentwicklung in Arabidopsis erforderlich. Die Pflanzenzelle (2022). DOI: 10.1093/plcell/koac306