Sonnenliebende Bakterien zeigen ein neues Bild über die Ursprünge der Fotosynthese

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Biologen haben neue wichtige  Erkenntnisse gewonnen, indem sie mit nahezu atomarer Auflösung die allererste Kernmembran-Proteinstruktur im einfachsten bekannten photosynthetischen Bakterium, genannt Heliobacterium modesticaldum auflösten. Durch die Auflösung des Kerns der Photosynthese in diesem sonnenliebenden, bodenbildenden Bakterium hat das Forschungsteam ein grundlegendes neues Verständnis für die frühe Evolution der Photosynthese gewonnen und wie sich dieser lebenswichtige Prozess zwischen Pflanzensystemen unterscheidet. Die Ergebnisse erscheinen in der neuesten Ausgabe der „Science“.

Da heutige Sonnenkollektoren in ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt sind (derzeit geht mehr als 80 Prozent der verfügbaren Sonnenenergie als Hitze verloren), möchten Wissenschaftler die Natur als Inspiration nutzen und besser verstehen, auf welche Weise photosynthetische Pflanzen und Bakterien Sonnenlicht gewinnen.

„Die Erfindung der Photosynthese ist der wichtigste Energieumwandlungsprozess, die die Biosphäre antreibt, und sie hat die Erdatmosphäre für immer verändert“, sagte Raimund Fromme, Professor am ASU Biodesign Institute Center für Angewandte Strukturbiologie und in der School of Molecular Science.

In der Bemühung, die Photosynthese zu verstehen, erforschte Fromme die Photosynthese in ihrer einfachsten Form, in Heliobakterien, die zuerst in schlammigen Böden in der Nähe von heißen Quellen gefunden wurden. (Bild: ASU)

Vor mehr als 3 Milliarden Jahren hatte unser Planet eine Atmosphäre ohne Sauerstoff. Zu dieser Zeit hat die Natur einen Weg gefunden, das Sonnenlicht durch chemische Prozesse einzufangen und in Energie umzuwandeln, und diese unendliche Energiequelle effektiv zu nutzen.

Nun hat eine von Fromme geführte Forschungsgruppe wichtige neue Erkenntnisse gewonnen, indem sie mit nahezu atomarer Auflösung, die erste Kernmembran-Proteinstruktur des einfachsten bekannten photosynthetischen Bakteriums, dem Heliobacterium modesticaldum (benannt nach dem griechischen Sonnengott Helios), aufgelöst und erforscht hat.

Durch die Auflösung des Kerns der Photosynthese in diesem sonnenliebenden, bodenbildenden Bakterium hat das Forschungsteam ein grundlegendes neues Verständnis für die frühe Evolution der Photosynthese gewonnen und wie sich dieser lebenswichtige Prozess zwischen verschiedenen Pflanzensystemen unterscheidet.

Ihre Entdeckung bietet den Wissenschaftlern eine brandneue Vorlage für die Grundlagen für das sogenannte „organische Solarmodul-Design“, auch bekannt als „künstliche Blätter“der Solarenergie oder mögliche Anwendungen erneuerbare Biokraftstoffe.

Die Natur weiß es am besten

ASU ist seit langem führend in der Photosyntheseforschung. Dies geht auf die ersten Jahrzehnte als Forschungsuniversität in den 1970er Jahren zurück. Es war nur eine natürliche Schlussfolgerung für die Wissenschaftler, die auf die einzigartige Schönheit der Sonoran-Wüste blicken, die mit ihren 300-plus-Tagen des jährlichen Sonnenscheins einfach der beste Ort in der Nation ist, um die zur Verfügung stehende Solarenergie zu nutzen.

Die Sonnenkollektoren des Lebens, die Wissenschaftler Photosysteme nennen, werden von Pflanzen, Algen und photosynthetischen Bakterien als ein unglaublich effizientes System verwendet, um fast jedes verfügbare Photon des Lichtes zu nutzen, um zu wachsen und zu gedeihen. Und das in fast jede Ecke und Ritze der Erde.

Fromme ist Teil einer großen strukturellen Biologie-Forschungsgruppe bei ASU, die stetig ein besseres Verständnis der Fotosynthese gewinnen möchte, indem sie Bilder von den Schlüsselproteinen machen, die innerhalb der Photosynthese-Reaktionszentren arbeiten, um Licht in Energie umzuwandeln.

„Um die Photosynthese wirklich und vollständig zu verstehen, muss man den Prozess der Umwandlung von Licht in chemische Energie verfolgen“, sagte Fromme. „Dies ist eine der schnellsten chemischen Reaktionen, die jemals wissenschaftlich untersucht wurde, was ein Grund ist, wieso es so schwer zu erforschen und zu verstehen ist.“

Die Zeitskalen der Photosynthese verwandeln einen Blitz in etwas, das sich im  Schneckentempo fortbewegt. Photosynthese-Reaktionen treten im Maßstab von Pikosekunden auf, was eine Milliardstel Sekunde ist. Eine Pikosekunde ist im Vergleich zu einer Sekunde das, was eine Sekunde zu 37.000 Jahren ist.

Aber die ASU-Strukturbiologen nutzen eine immer leistungsfähigere Röntgentechnologie, um eines Tages das Licht einzuholen, indem sie Freeze-Frame-Bilder von kristallisierten Proteinen während des gesamten Prozesses erstellen.

Blitz in einer Flasche

In der Bemühung, die Photosynthese zu verstehen, erforschte Fromme die Photosynthese in ihrer einfachsten Form, in Heliobakterien, die zuerst in schlammigen Böden in der Nähe von heißen Quellen gefunden wurden.

Einzellige Heliobakterien sind sehr einfach aufgebaut und unterscheiden sich grundsätzlich von den Pflanzen. Bei der Photosynthese zum Beispiel, verwenden Heliobakterien kein Wasser, wie es Pflanzen tun, sondern Schwefelwasserstoff. Sie wachsen ohne Sauerstoff und geben nach der Photosynthese ein faulig stinkendes Schwefelgas anstelle von Sauerstoff ab.

Heliobakterien haben ihre einzigartige Art genutzt, um ihre eigene ökologische Nische erfolgreich zu besetzen, weil sie eine Nah-Infrarot-Wellenlänge des Lichts für die Photosynthese verwenden, die für niedrige Lichtverhältnisse perfekt ist, die an Orten wie Island oder in schlammigen Böden vorherrschen. Pflanzen können da einfach nicht konkurrieren. Wissenschaftler möchten verstehen, wie sie das schaffen.

Reaction to action

Im Mittelpunkt der Photosynthese steht das sogenannte Reaktionszentrum; Es ist ein aufwändiger Komplex von Pigmenten und Proteinen, die Licht in Elektronen umwandeln, um die Zelle zu versorgen.

Chlorophyll ist das Pigment, das Pflanzen grün macht. In Pflanzen fängt Chlorophyll die Energie der Sonne ein und nutzt es, um Wasser, Kohlendioxid und Licht in Sauerstoff und Glucose umzuwandeln.

6 H2O + 6 CO2 + Licht = 6 O2 + C6H12O6

Die sauerstoffbasierte Photosynthese in höheren Pflanzen, Grünalgen und Cyanobakterien nutzt das Photosystem I (PSI), ein Typ I RC und Photosystem II (PSII), ein Typ II RC. Diese arbeiten zusammen, um Elektronen des Wassers zu Ferredoxin zu extrahieren und schließlich den Energieträger NADP+ zu NADPH zu reduzieren.

Im Gegensatz dazu verwenden anoxygene phototrophe Bakterien, wie Heliobacterium modesticaldum, einen einzigen RC, um einen zyklischen Elektronentransfer (ET)-Pfad zu betreiben, der eine Protonenmotivkraft über die Membran erzeugt, die zur Energieproduktion und zum Metabolismus durch ATP-Synthese eingesetzt wird.

Die Reaktionszentren schließen diese Komponenten wie einen Käfig ein, um alle verfügbaren Photonen des Lichts effizient zu erfassen, indem sie alle Elemente in der gleichen Umgebung zusammenbringen. Reaktionszentren (RC) kommen in zwei Hauptaromen der Kofaktoren vor: Eisen (Typ I) oder Chinon (Typ II). Heliobakterien haben das einfachste bekannte Reaktionszentrum und verwenden einzigartige Chlorophylle.

Die Entdeckung von Heliobakterien führte zur Identifizierung von einzigartigen Eigenschaften für ihre RC (in den 1990er Jahren, Robert Blankenship leitete als erstes eine Arbeitsgruppe, um RCs von Heliobakterien zu charakterisieren). Die Heliobakterien RC wurde vorgeschlagen, um das nächstgelegene der frühesten gemeinsamen Vorfahren aller photosynthetischen Reaktionszentren zu sein, zu einer Zeit, als vor etwa 3 Milliarden Jahren die frühe Erde schwefelreiche Meere und wenig Sauerstoff besaß. Aber ein RC-Protein erfolgreich zu reinigen und gewachsene Kristalle zu erhalten, die für die Röntgenexperimente benötigt werden, kann ein langwieriger, schwieriger Prozess sein.

Der Grundstein für das Forschungsprojekt von Fromme wurde vor sieben Jahren gelegt, als die Postdoktorandin Iosifina Sarrou begann, die nötigen Vorbereitungen für das Heliobakterien-reaktionszentrums zu verbessern. Nach vielen anfänglichen Kristallisationsversuchen wurde eine Röntgenbeugungs-Kristallladung gefunden. „Das ist der Moment, auf den ein Kristallograph wartet“, sagte Fromme und erklärte, dass es Jahre dauern kann, um den perfekten Proteinkristall wachsen zu lassen, der für Röntgenuntersuchungen geeignet ist.

Zwei zum Tango

Es kann Jahre dauern, bis der perfekte Proteinkristall für Röntgenuntersuchungen gezüchtet wurde. Auf der linken Seite sind smaragdfarbene Proteinkristalle. Die Figur auf der rechten Seite zeigt das Beugungsmuster, nachdem die Kristalle Röntgenstrahlen ausgesetzt waren. Wissenschaftler können die 3-D-Struktur eines Proteins aus diesen Mustern nachbilden. (Bild: ASU)

Kurz nach diesen erfreulichen Ergebnissen trat Christopher Gisriel dem Team bei und verbesserte die Beugungsqualität auf die endgültige Qualität von 2,2 Angström. Dennoch konnte das Forschungsteam keine kristallographische Struktur auflösen. Diese Unterbrechung dauerte zwei Jahre bis zum August 2016. Dann endlich kam der Durchbruch.

An diesem Punkt „begann eine spannende Entdeckungsreise auf unerforschtem Territorium, auf der jedes neue Chlorophyll bejubelt wurde“, erinnerte sich Fromme, und „es erwiesen sich alle anfänglichen Vorhersagen über die Heliobakterien RCs als falsch.“

Das Team fand eine nahezu perfekte Symmetrie im Heliobacter-Reaktionszentrum (gezeigt durch das Spiegelbildmuster der Hauptprotein-Muster, angedeutet durch Zylinder (oben) und eine Nahaufnahme der genauen Platzierung einzelner Atome im Reaktionszentrum (unten). (Bild: ASU)

Mit Röntgenlicht der Advanced Light Source in Berkeley, CA und einer Strahllinie des Advanced Photon Source bei Argonne National Lab, IL., kann Fromme’s Gruppe die Heliobakterien RCs zum ersten Mal bei einer Auflösung von nahezu atomaren, 2.2- Angström (ein Angström ist die Breite eines Wasserstoffatoms) betrachten. Sie fanden eine fast perfekte Symmetrie im Heliobacter RC. Zuerst war die Aminosäurezusammensetzung eines Paares von Proteinen identisch, ein Homodimer genannt.

Dies war das erste Mal, dass ein RC gefunden wurde, das nur ein einziges Paar Protein-Homodimeren enthielt, um die Photosynthese zu betreiben. Schließlich haben sie etwa 60 Chlorophylle auf den RC-Proteinkomplex abgebildet. Das Kernpolypeptid-Dimer und zwei kleinere Untereinheiten koordinieren 54 (Bakterien) Chlorophylle und 2 Carotinoide, die Energie in den Kern des Reaktionszentrums übertragen. Dies führt zu einer Ladungstrennung, zurStabilisierung und zum Elektronentransfer. Es besteht aus 6 (Bakterien) Chlorophyllen und einem Eisen -sulfur-cluster; Im Gegensatz zu anderen Reaktionszentren fehlt ihm ein gebundenes Chinon. Somit stützt die Struktur die Hypothese, dass der Elektronentransport im HbRC keinen Zwischenkofaktor benötigt. „Hochauflösende Strukturen wurden aus mehreren heterodimeren (mehr als einem Protein) RCs (Purple Bakterien RC, PSI und PSII) erhalten, aber bisher wurde keine homodimere RC-Struktur aufgelöst“, sagte Fromme.

Die uralten Ursprünge der Photosynthese

Darüber hinaus haben sie mit der Explosion der DNA-Sequenzierungstechnologie und mit der potentiellen Fähigkeit, alle Gene und Proteine ​​des Leben zu verstehen, auch die Möglichkeit die Evolution der Photosynthese-RCs zu verfolgen. Könnte dieses Reaktionszentrum alle anderen hervorgebracht haben, was über Äonen zu mehr Komplexität geführt hat? In evolutionärer Hinsicht bedeutet dies, dass die Heliobakterien RC zuerst aus einem einzigen Gen entstanden sein müssen.

„Diese Struktur bewahrt die Eigenschaften des „Ur“reaktionszentrums und ermöglicht Einblicke in die Evolution der Photosynthese“, erklärt Fromme-Kollege Kevin Redding. „Von den neuen Strukturen, die wir haben, würde dies Sinn ergeben.“ Das Gen könnte dann dupliziert worden sein, um die evolutionäre Komplexität zu erhöhen.

„Aus evolutionärer Sicht ist ein homodimeres RC fast sicher einem heterodimeren RCs vorangegangen.“, sagte Fromme. Die Duplikation des Kern-RC-Untereinheits-Gens, gefolgt von der Divergenz der beiden Gene, würde die Umwandlung eines homodimeren zu einem heterodimeren RC ermöglichen. Dies geschah wahrscheinlich auf mindestens drei getrennten Wegen. Das führte zur Schaffung aller verschiedenen und komplexeren, heute bekannten, Reaktionszentren, die in anderen photosynthetischen Bakterien und Pflanzen gefunden wurden.“

Die Sonne wird wieder aufgehen

Die Forschungsgruppe von Fromme freut sich über das Potenzial der neuen Ergebnisse. Ein solches Verständnis könnte Forschungsgruppen auf der ganzen Welt helfen, ein künstliches Photosynthesezentrum zu bauen, das dazu beitragen könnte, die Hybrid-organischen Sonnenkollektoren der nächsten Generation zu entwickeln, möglicherweise mit dem Heliobacter, um die Lichtabsorption zu erhöhen und die Solarenergieeffizienz zu steigern.

 

Veröffentlichung:

Christopher Gisriel et al. Structure of a symmetric photosynthetic reaction center–photosystemScience, 2017 DOI: 10.1126/science.aan5611

Quelle: off. Pn der ASU

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.