Algen haben eine Superkraft, die ihnen hilft, schnell und effizient zu wachsen. Neue Arbeiten unter der Leitung von Adrien Burlacot von Carnegie legen den Grundstein für die Übertragung dieser Fähigkeit auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen, die dazu beitragen könnten, mehr Menschen zu ernähren und den Klimawandel zu bekämpfen. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Natur.
Pflanzenzellen, Algen und bestimmte Bakterien sind in der Lage, die Energie der Sonne mithilfe einer Reihe von biochemischen Reaktionen, die als Photosynthese bekannt sind, in chemische Energie umzuwandeln. Dieser Prozess machte die Erdatmosphäre sauerstoffreich, was die Entstehung und das Gedeihen tierischen Lebens ermöglichte und unsere gesamte Nahrungskette untermauert.
Die Photosynthese findet in zwei Stufen statt. In der ersten wird Licht absorbiert und zur Synthese von Energiemolekülen verwendet, wobei Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht. Diese Energiemoleküle werden dann verwendet, um die zweite Stufe anzutreiben, in der Kohlendioxid aus der Luft in Zucker auf Kohlenstoffbasis wie Glucose und Saccharose fixiert wird.
Da die Photosynthese ein so uralter Prozess ist – einer, der älter ist als die aktuelle Zusammensetzung der Atmosphäre und diese sogar prägte – ist sie nicht besonders effizient. Der Mechanismus, mit dem Pflanzen Kohlendioxid aus der Luft binden, ist ein Opfer ihres eigenen Erfolgs. In einer kohlendioxidreichen Atmosphäre war es für die Pflanzen ein Kinderspiel, den für die zweite Stufe notwendigen Kohlenstoff aufzunehmen. Aber jetzt ist es eine andere Geschichte und Pflanzen sind durch die immer noch geringe Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre begrenzt und können es nicht effizient binden.
Glücklicherweise haben photosynthetische Algen Mechanismen entwickelt, die ihre Effizienz steigern, indem sie Kohlendioxid um das Enzym herum konzentrieren, das für die Fixierung in Zucker verantwortlich ist. Dieser biochemische Schub ist Teil dessen, was Algen so schnell wachsen lässt.
„Wenn die zellulären Werkzeuge, die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, genutzt werden können, könnten wir produktivere Pflanzen entwickeln“, erklärte Burlacot. „Dies würde den Kampf gegen den Klimawandel unterstützen, indem es mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre bindet, und dazu beitragen, den Welthunger zu bekämpfen, indem mehr Nahrungsmittel produziert werden.“
Burlacot und Mitarbeiter der Universität Aix-Marseille – Ousmane Dao, Pascaline Auroy, Stephan Cuiné, Yonghua Li-Beisson und Gilles Peltier – konnten den Energieweg aufklären, der die Fähigkeit von Algen antreibt, Kohlendioxid zu konzentrieren.
Um durch die biologischen Membranen transportiert zu werden, in denen die zweite Stufe der Photosynthese stattfindet, muss das atmosphärische Kohlendioxid in Bicarbonat und dann wieder zurück umgewandelt werden. Die Forscher enthüllten, wie Zellen die Energie erzeugen, um diese Reihe von Veränderungen voranzutreiben, wodurch Kohlendioxid konzentriert werden kann, ohne die Stromversorgung der Zelle für den Kohlenstofffixierungsprozess zu unterbrechen.
„Es ist seit langem bekannt, dass die Fähigkeit von Algen, Kohlendioxid zu konzentrieren und die photosynthetische Effizienz zu verbessern, Energie erfordert, aber die molekularen Mechanismen dieses Prozesses sind bisher kaum verstanden worden“, schloss Burlacot. „Unsere Arbeit hat die energetische Toolbox entschlüsselt, die wir zur Verbesserung der Kohlenstoffabscheidung in der Photosynthese benötigen.“
Adrien Burlacot et al, Alternative Photosynthesewege treiben den Algen-CO2-Konzentrationsmechanismus an, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04662-9