Photosynthese ist auch mit nur einem Photosystem möglich

Ein wissenschaftliches Team der LMU konnte erstmals zeigen, dass sauerstoffbildende Photosynthese auch mit nur einem einzigen Photosystem möglich ist - und stellt damit eines der grundlegenden Paradigmen der Biologie infrage. Die Ergebnisse wurden jetzt im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Es gibt nur wenige biologische Konzepte, die als so gesichert gelten, dass sie seit Jahrzehnten nahezu unverändert in jedem Lehrbuch stehen. Eines davon lautet: Für die sauerstoffbildende Photosynthese werden zwingend zwei Photosysteme benötigt. Die nun vorgelegten Ergebnisse zeigen, dass dieses grundlegende Prinzip offenbar nicht universell gilt.

Ein zentrales Dogma der Biologie

"Wenn ein Lehrbuchparadigma fällt, betrifft das nicht nur ein Detail unseres Wissens - es verändert unseren Blick auf einen fundamentalen biologischen Prozess", sagt Professor Dario Leister, Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologie der Pflanzen an der LMU und Leiter der Studie. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Natur deutlich flexibler ist, als wir bislang angenommen haben."

Die Photosynthese versorgt die Erdatmosphäre mit Sauerstoff und bildet die Grundlage nahezu aller Nahrungsketten. Pflanzen, Algen und Cyanobakterien wandeln Sonnenlicht in chemische Energie um. Nach dem bisherigen Verständnis gelingt dies nur durch das Zusammenspiel zweier großer Proteinkomplexe: Photosystem II und Photosystem I. Dieses Prinzip gehört seit mehr als 50 Jahren zum Grundwissen der Biologie.

Warum sind normalerweise zwei Photosysteme notwendig?

Das Photosystem II ist für den ersten Schritt der Lichtreaktion verantwortlich. Es absorbiert mithilfe von Pigmentmolekülen Lichtenergie und nutzt diese zur Spaltung von Wasser. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die anschließend über die photosynthetische Elektronentransportkette zum Photosystem I gelangen. Außerdem entsteht ein Protonengradient, der die Synthese des Energieträgers ATP antreibt; als Nebenprodukt wird Sauerstoff freigesetzt.

Im Photosystem I führt ein weiterer lichtgetriebener Elektronentransfer zur Bildung des Reduktionsmittels NADPH. ATP und NADPH werden anschließend gemeinsam für die Kohlenstofffixierung und den Aufbau von Kohlenhydraten im Calvin-Zyklus benötigt.

Die Entdeckung war reiner Zufall

Die Gruppe von Dario Leister wollte ursprünglich gar keinen alternativen Photosyntheseweg finden. Ziel war vielmehr, ein pflanzliches Photosystem I in das Cyanobakterium Synechocystis einzubauen. Mithilfe gentechnischer Methoden und adaptiver Laborevolution entstanden dabei Organismen, denen das Photosystem I vollständig fehlt.

"Eigentlich wollten wir etwas völlig anderes erreichen", sagt Leister. "Dass daraus Organismen entstehen würden, die ohne Photosystem I wachsen, Kohlendioxid fixieren und Sauerstoff produzieren können, war vollkommen unerwartet."

Die neuen Cyanobakterienstämme betreiben trotz des fehlenden Photosystems I vollständige sauerstoffbildende Photosynthese. Damit widerlegen sie die bislang geltende Annahme, dass Photosystem I für die Bildung des Reduktionsmittels NADPH unverzichtbar ist.

Was ist adaptive Laborevolution (ALE)?

Bei der adaptiven Laborevolution werden Organismen über viele Generationen hinweg unter definierten Laborbedingungen einem gezielten Selektionsdruck ausgesetzt. Dadurch setzen sich zufällige Mutationen durch, die einen Wachstums- oder Überlebensvorteil vermitteln. Auf diese Weise lassen sich evolutionäre Anpassungen untersuchen, deren Entstehung in der Natur oft Tausende oder sogar Millionen Jahre dauern würde.

Ein alternativer Weg der Energieumwandlung

Das Team konnte außerdem einen Mechanismus identifizieren, der erklärt, wie die Bakterien das fehlende Photosystem kompensieren: Durch mehrere evolutionäre Anpassungen wird der photosynthetische Elektronentransport grundlegend umorganisiert. Ein besonders starker Protonengradient ermöglicht es dem NDH-1-Komplex, in umgekehrter Richtung zu arbeiten und so das Reduktionsmittel NADPH bereitzustellen - eine Funktion, die bislang ausschließlich Photosystem I zugeschrieben wurde.

Bedeutung weit über die Photosynthese-Forschung hinaus

Die Entdeckung verändere, so Leister, das Verständnis der Evolution der Photosynthese grundlegend und zeige, dass selbst einer der am besten untersuchten Prozesse der Biologie noch grundlegende Überraschungen bereithalte. Sie eröffnet neue Perspektiven auf die evolutionären Wege, über die sich sauerstoffbildende Photosynthese entwickeln konnte, und wirft grundlegende Fragen zur Entstehung und Anpassungsfähigkeit photosynthetischer Systeme auf. Langfristig könnten die Ergebnisse zudem neue Ansätze für die Entwicklung effizienterer photosynthetischer Systeme und biotechnologischer Anwendungen ermöglichen.

"Unsere Arbeit erinnert daran, dass selbst scheinbar unumstößliche Lehrbuchkonzepte durch neue experimentelle Befunde infrage gestellt werden können. Genau das macht Grundlagenforschung so spannend", sagt Leister.

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Quelle: Universität München