Effiziente Photosynthese

Wie Cyanobakterien CO2 effizient umwandeln

Wie Cyanobakterien Kohlenstoffdioxid aus der Luft in wasserlösliche Kohlensäure umwandeln und vor dem Aufbau von Biomasse in der Zelle zwischenspeichern, erläutert ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der RUB in der Zeitschrift Nature Communications.

Waren überrascht, dass die molekularen Details der biologischen CO2-Umwandlung bei Cyanobakterien doch anders sind als zuvor gedacht: Jacqueline Thiemann (links) und Marc Nowaczyk © RUB, Marquard

Photosynthetische Organismen nutzen mithilfe von Sonnenlicht Kohlenstoffdioxid aus der Luft zum Aufbau von Biomasse. Cyanobakterien sind dabei besonders effizient, weil sie das Gas zunächst in wasserlösliche Kohlensäure umwandeln und zwischenspeichern. Wie genau sie das machen, konnte ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) gemeinsam mit internationalen Kollegen erstmals im Detail klären. Das macht es künftig möglich, die Tricks der Bakterien zu nutzen, zum Beispiel für die Produktion nachhaltiger Kraftstoffe. 

Kohlensäure wird in der Zelle zwischengespeichert

Cyanobakterien nutzen für die Umwandlung von gasförmigem CO2 aus der Luft einen speziellen Membranproteinkomplex – eine Variante des fotosynthetischen Komplex I. Er arbeitet zum einen als Protonenpumpe, ist aber zusätzlich mit einem einzigartigen Modul versehen, das CO2 aus der Atmosphäre konzentriert. Das gasförmige CO2 wird dabei unter Energieverbrauch in wasserlösliche Kohlensäure umgewandelt, die dann in der Zelle gespeichert wird. Die dafür notwendige Energie stammt aus Sonnenlicht und wird durch weitere photosynthetische Proteine bereitgestellt, mit denen der Komplex verbunden ist.

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Durch die Analyse der molekularen Struktur des Komplexes mittels Kryoelektronenmikroskopie in Kombination mit Computersimulationen und weiteren biochemischen Experimenten konnte das Team um Privatdozent Dr. Marc Nowaczyk vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen den Mechanismus dieser biologischen CO2-Umwandlung erstmals aufklären. "Wir waren überrascht, dass die molekularen Details des Prozesses doch anders sind als zuvor gedacht", resümiert der Biologe.

Effizientere Photosynthese für Nutzpflanzen oder nachhaltige Kraftstoffe

Die Aufklärung des Prozesses legt den Grundstein dafür, seine Bausteine künftig zu nutzen. "Auf dieser Basis könnte man versuchen, die photosynthetische Effizienz anderer Organismen wie Nutzpflanzen weiter zu verbessern, oder man könnte diese in der Natur vorkommenden molekularen Prinzipien für eine effiziente Energieumwandlung auf synthetische Systeme übertragen, zum Beispiel zur Produktion nachhaltiger Solarkraftstoffe", hofft Nowaczyk, der auch an der Entwicklung solcher Biohybridsysteme zur photosynthetischen Energieumwandlung forscht. "Mich fasziniert dabei die Modularität der molekularen Bausteine, die wie in einem Baukastensystem neu miteinander kombiniert werden können", erklärt er.

Kooperationspartner:
Die Studie ist eine Zusammenarbeit zwischen Dr. Marc Nowaczyk, Privatdozent an der RUB, Prof. Dr. Ville Kaila von der Stockholm University und Dr. Jan Schuller, Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie und Emmy-Noether Gruppenleiter an der Universität Marburg, sowie weiteren Forscherinnen und Forschern der beteiligten Institute und der Universität Osaka.

Förderung:
Die Arbeiten wurden gefördert durch den European Research Council (Grant Nummer 715311), die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschungsgruppe FOR 2092 (NO 836/3-2), des Schwerpunktprogramms 2002 (NO 836/4-1) und des Projekts NO 836/1-1. Weitere Förderung kam von der Emergence of Life Initiative (TRR235) und der Knut and Alice Wallenberg Foundation.

Originalveröffentlichung:
Jan M. Schuller, Patricia Saura, Jacqueline Thiemann, Sandra K. Schuller, Ana P. Gamiz-Hernandez, Genji Kurisu, Marc M. Nowaczyk, Ville R.I. Kaila: Redox-coupled proton pumping drives carbon concentration in the photosynthetic complex I, in: Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-14347-4. www.nature.com/articles/s41467-020-14347-4

Quelle: RUB

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