Photosynthese funktioniert auch über Wärme

Pflanzen absorbieren Licht und wandeln es in chemische Energie um – soweit bekannt. Doch einer der lebenswichtigsten biochemischen Prozesse, die Photosynthese, gibt Wissenschaftlern in ihren Einzelheiten noch immer Rätsel auf. Eine weitere Erkenntnis scheint nun gewonnen: Proteine nutzen bei der Photosynthese auch Wärme. Dadurch können sie auch von sehr schwachem Licht profitieren, das für die eigentliche Photosynthese nicht brauchbar wäre. Das vermuten Forschende der Ruhr-Universität Bochum (RUB), der Osaka University in Japan und der Kafrelsheikh University in Ägypten.

Zu diesem Ergebnis kamen die Forschungsteams über eine genaue Untersuchung eines seltenen Photosystems (Schlüsselenzyme der Photosynthese). Im Zentrum steht dabei das Photosystem I (kurz: PSI), das aus Membran und Proteinen besteht und verschiedene Formen annehmen kann. Besteht es aus drei Einheiten, handelt es sich um ein sogenanntes Trimer. Wie das teils aufgebaut ist, wissen Forscher bereits seit zwei Jahrzehnten. Doch PSI-Monomeren, die nur aus einer Einheit bestehen, sind seltener und über ihre Struktur und Funktionsweise ist nur wenig bekannt.

Tiefe Temperaturen

Das Team um Prof. Dr. Marc Nowaczyk vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen an der RUB entwickelte eine neue Methode, um die Monomere zu extrahieren und genauer zu untersuchen. "Das größte Hindernis dabei war das geringe natürliche Vorkommen dieser speziellen PSI-Form", sagt Nowaczyk. Während in Bochum das Photosystem mittels Massenspektrometrie, Spektroskopie und biochemischen Methoden untersucht wurde, arbeiteten die Kollegen an der Osaka University im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes daran, das Geheimnis um die Struktur mit sogenannter Cryo-Elektromikroskopie zu lüften. Hierbei werden organische Proben bei tiefen Temperaturen ab etwa minus 150 Grad Celsius analysiert.

Licht und Wärme nutzen

Chlorophylle, auch "Blattgrün" genannt, sind natürliche Farbstoffe, die pflanzliche Organismen bilden, die Photosynthese betreiben. Die Untersuchungen der Atomstruktur von PSI-Monomeren gab den Forschenden nicht nur Aufschluss über die Energieumwandlung innerhalb des Proteinkomplexes, sondern auch über die Funktionsweise der Chlorophylle. "Besonders interessant war die Erkenntnis, dass rote Chlorophylle mit den Lipiden in der sie umgebenden Membran zu interagieren scheinen", erklärt Anna Frank und Ko-Erstautorin der Studie. "Diese strukturelle Anordnung könnte ein Indiz dafür sein, dass zusätzlich Wärmeenergie genutzt wird, um eigentlich zu energiearmes Licht für die Fotosynthese nutzbar zu machen." Die Ergebnisse wurden im Journal "Communications Biology" veröffentlicht.

(bsc)