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05.08.2021

03.03.2021

Chlorophyll, Proteine und Mangan: Wie entsteht atmosphärischer Sauerstoff?

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Das Wissen, wie Sauerstoff durch Photosynthese entsteht, ist fester Bestandteil von Lehrbüchern. Doch die Details sind immer noch nicht aufgeklärt - es fehlt der tiefe Blick in den atomaren Aufbau des sogenannten Photosystems II.

Ein Forschungsteam am Zentrum für Synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) um Dr. Jan-Michael Schuller vom Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg macht sich die Kryo-Elektronenmikroskopie zunutze, um dieses Rätsel zu lösen. Die Daimler und Benz Stiftung fördert das Vorhaben mit rund 40.000 Euro.

Die moderne Ausstattung des neuen Forschungsbaus am Zentrum für Synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) macht es möglich: Mithilfe eines neuen Verfahrens, der Kryo-Elektronenmikroskopie, ist Dr. Jan-Michael Schuller zusammen mit seinen Mitarbeitern dabei, das Rätsel der Wasserspaltung zu lösen. Pflanzen und Algen sind es, die auf unserem Planeten dafür sorgen, dass genügend Sauerstoff zum Atmen entsteht.

Der gasförmige Sauerstoff stammt aus Wassermolekülen, die in den grünen Organismen unter Einsatz einer hochkomplexen molekularen Maschine, dem Photosystem II, in O2, Elektronen und Protonen zerfallen. An der Spaltung beteiligt sind Chlorophyll, Proteine und Mangan. Das Photosystem fängt Sonnenlicht ein und nutzt dessen Energie, um den Wasserspaltungsprozess einzuleiten. Doch bislang ist noch nicht ganz klar, wie genau dieser Prozess auf atomarer Ebene abläuft. Vor allem ist bislang ungeklärt, wie die Zelle das Mangan in das Proteinumfeld einbaut.

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie isolieren die Wissenschaftler Photosystem-Vorläufermoleküle aus photosynthetischen Bakterien und stellen die Reifung des Wasserspaltzentrums im Reagenzglas nach, um im Anschluss die Einzelschritte zu visualisieren. Umständliches, wenn überhaupt mögliches Kristallisieren des Photosystem II-Proteinkomplexes mit anschließender Bestrahlung durch Röntgen- oder Synchroton-Strahlung ist nicht nötig: Die "molekulare Maschine" kann im Elektronenmikroskop direkt abgebildet werden - und zwar im Maßstab von Nanometern, also Millionstel Millimetern. Mit der Kenntnis über die Entstehung und den Aufbau des Photosystems II sind zukünftige synthetisch-biologische Verfahren möglich, die für den Erhalt unserer Umwelt nützlich sein können.

Dr. Jan-Michael Schuller ist Leiter der Forschergruppe "Molekulare Maschinen" am Zentrum für Synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) und dem Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg. Die Forschergruppe um Schuller wird seit Juli 2020 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen ihres Emmy-Noether-Förderprogramms für junge Wissenschaftler mit einem Gesamtvolumen von rund 1,55 Millionen Euro für sechs Jahre finanziert.

Quelle: Universität Marburg