Der Weg des Lichts

Forschern gelingt es, einen zentralen Schritt der Photosynthese auf Film zu bannen. Schauplatz ist das Photosystem II der Blaualge Synechococcus elongatus. Die nur wenige Nanosekunden lange Aufnahme liefert neue Einblicke in die Lichternte und könnte sich damit als hilfreich bei der Entwicklung der künstlichen Photosynthese erweisen.

Der Traum von der künstlichen Photosynthese ist nun mehr als ein Jahrhundert alt, obgleich die ersten ernst zu nehmenden Versuche, diesen zu verwirklichen, auf das Jahr 1972 datieren. Damals überlegten japanische Forscher, wie man mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten könnte. Heute sind wir ein großes Stück weiter. Zwar verfügen wir über Prototypen, die den Prozess in wesentlichen Teilen imitieren können, dennoch haben Pflanzen in Sachen Effizienz nach wie vor die Nase vorn, wenn es darum geht, Sonnenlicht zur Produktion des Energieträgers Wasserstoff zu nutzen. Zu den Gründen zählen u. a., dass die Materialkosten nach wie vor sehr hoch sind und die natürliche Photosynthese immer noch nicht vollends verstanden ist.

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Live-Schaltung ins Photosystem II

Wer annimmt, es ginge hierbei nur um die richtige Kombination von chemischen Zutaten und technischen Komponenten, der unterschätzt das Unterfangen. Denn wie eine aktuelle Studie zeigt, kommt es manchmal auf winzige Details wie Pikosekunden an, billionste Teile von Sekunden also. Dass Forscher in diese Bereiche vordringen können, verdanken sie einem mittlerweile recht breiten Angebot an molekülspektroskopischen Methoden, die zur Aufklärung von Strukturen, Eigenschaften und Prozessen auf der Molekülebene zur Verfügung stehen. Mittels Lasertechnologie und Infrarotspektroskopie gelang es im vorliegenden Fall nun erstmals, einen Blick in das Photosystem II der Blaualgengattung Synechococcus elongatus zu werfen und diesem bei der Arbeit zuzuschauen.

Beim Photosystem II handelt es sich um einen Multiproteinkomplex, der einen wichtigen Teil des Photosyntheseapparats von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien (Blaualgen) bildet. Zu seinen Hauptelementen zählen ein Antennenkomplex aus unzähligen lichtabsorbierenden Chlorophyllmolekülen, ein von diesen umhülltes Reaktionszentrum sowie eine Reihe von Elektronen übertragenden Proteinen, die für den Transfer der Lichtenergie vom Antennenkomplex zum Reaktionszentrum zuständig sind. Auf den Punkt gebracht ist das Photosystem II der Ort, an dem der erste Schritt der Lichtreaktion stattfindet.

Tempo-Limit am

Obwohl die Vorgänge, die sich dort abspielen, mittlerweile als gut verstanden gelten, herrschte in einem Punkt bislang noch keine Einigkeit. Es ging um die Frage, welcher Prozess schneller abläuft: Der Energietransport von den antennenförmigen Molekülen zum Reaktionszentrum oder die Vorgänge im Reaktionszentrum, bei denen Wassermolekülen Elektronen entzogen werden, um sie in Sauer- und Wasserstoff zu spalten, die sogenannte Ladungstrennung. (Der Genauigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die in diesem Zusammenhang oft zitierte „Spaltung von Wasser“ streng genommen falsch ist, da es sich um eine Redoxreaktion handelt.) Weil für das Gegenteil bisher nur Modellrechnungen existierten, ging die Mehrheit davon aus, dass der Transportvorgang der schnellere Part und somit die  Ladungstrennung der limitierende Faktor sein muss.

Ein Modell hat ausgedient

Wie in den Aufnahmen zu sehen ist, ist jedoch das Gegenteil der Fall. Da die Abstände zwischen den Pigmenten, über die die Lichtenergie von den lichtsammelnden Chlorophyllmolekülen in Richtung Reaktionszentrum transportiert werden zwar klein, der Abstand zum Reaktionszentrum jedoch größer ist, unterliegt tatsächlich der Energietransfer einer gewissen Limitierung. Koautor Thomas Renger erklärt: „Hätte das ursprüngliche Modell gegolten, welches die Ladungstrennung im Reaktionszentrum für den zeitlichen Verlauf des Lichteinfangs verantwortlich macht, wäre der Energietransfer etwa fünfzig Mal schneller abgelaufen.“ Die Messungen ergaben, dass der Lichtenergietransfer in etwa 50 Picosekunden benötigt.

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Ein Schutz gegen Lichtstress

So trivial, wie Vorgänge im Pikosekundenbereich für uns auch erscheinen mögen, so wichtig sind Erkenntnisse wie diese für die Forschung. Nicht nur für Grundlagenforscher, die dahinter einen Schutzmechanismus vermuten, mit denen die Reaktionszentren vor unvermittelt hohen Lichtintensitäten geschützt werden. Demzufolge handelt es sich um eine Art Puffer, um im Ernstfall genügend Zeit zur Einleitung von photoprotektiven Maßnahmen zu haben, bevor das Reaktionszentrum überlastet wird.

Auch all jene, die sich mit dem Thema künstliche Photosynthese beschäftigen, dürften durch die Studie neue Einblicke und womöglich auch Impulse gewinnen, wie diese ganz nach dem Vorbild der Natur optimiert werden könnte.

Jasper van Thor erklärt zum Schluss: „Es hat eigentlich schon länger der Verdacht bestanden, dass unsere Vorstellungen bezüglich des Flaschenhalses der Photosynthese überholt sind, doch existierte bis heute kein experimenteller Nachweis. Nun weiß ich, dass das, was ich in den 1990er-Jahren als Student im Hörsaal gelernt habe, ab heute nicht mehr länger Bestand hat.“