Photosynthetische Bakterien (PSB) erzeugen im Gegensatz zu Pflanzen keinen Sauerstoff als photosynthetisches Nebenprodukt, da sie Schwefelwasserstoff anstelle von Wasser verwenden, um Sonnenenergie in chemische Energie (Elektronen) umzuwandeln. Dieser Prozess wird von einem Proteinkomplex gesteuert, dem lichtsammelnden 1-Reaktionszentrum (LH1-RC).
Zahlreiche PSB gedeihen in kalziumreichen Umgebungen wie heißen Quellen und Meerwasser. In der dreidimensionalen LH1-RC-Struktur ist das LH1-Antennenprotein typischerweise mit Kalzium assoziiert. Allerdings ist der Photosynthesemechanismus bei Allochromatium vinosum, einer Modellart autotropher Bakterien, die in Umgebungen mit niedrigem Kalziumgehalt oder weichem Wasser gedeihen können, noch nicht geklärt, da Kalzium in diesem Modell hypothetisch nicht am Photosyntheseprozess beteiligt ist.
Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie enthüllten die Forscher die LH1-RC-Strukturen dieser Modellspezies mit einer Auflösung, die die Visualisierung einzelner Aminosäuren ermöglichte. Diese Beobachtungen zeigten, dass Calcium nur an sechs spezifischen Stellen in der LH1-Untereinheit bindet.
Im Gegensatz dazu zeigte das eng verwandte thermophile Bakterium Thermochromatium tepidum eine Calciumbindung über alle 16 LH1-Untereinheiten, was auf eine Abhängigkeit der Calciumbindung vom Aminosäuresequenzmuster hinweist.
Diese Ergebnisse deuten auf eine evolutionäre Anpassung dieser Art hin, die es ihr ermöglicht, in kalziumarmen Umgebungen Spuren von Kalzium zu binden und dadurch ihre thermische Stabilität für die Photosynthese zu verbessern.
Diese Erkenntnisse, veröffentlicht In Kommunikationsbiologiekönnte möglicherweise die effiziente Nutzung der Sonnenenergie vorantreiben, zum Umweltschutz beitragen und die Fähigkeit bestimmter Arten hervorheben, im Süßwasser Photosynthese zu betreiben und gleichzeitig Schwefelwasserstoff, der für zahlreiche Organismen giftig ist, in Schwefel zu entgiften.
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Kazutoshi Tani et al., Hochauflösende Struktur und biochemische Eigenschaften des LH1-RC-Photokomplexes aus dem Modell-Purpurschwefelbakterium Allochromatium vinosum, Kommunikationsbiologie (2024). DOI: 10.1038/s42003-024-05863-w