Photosynthese - Problemlöser der Zukunft

Neue Einblicke in den grundlegendsten Prozess der Welt

08.12.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Sonnenlicht, Wasser, CO2 – damit „stricken“ Pflanzen unsere Lebensgrundlage und haben womöglich noch Problemlösungen für die Zukunft parat. (Bildquelle: © iStock.com/Jeja)
Sonnenlicht, Wasser, CO2 – damit „stricken“ Pflanzen unsere Lebensgrundlage und haben womöglich noch Problemlösungen für die Zukunft parat. (Bildquelle: © iStock.com/Jeja)

Je besser die Vorgänge bei der Photosynthese verstanden werden, desto mehr können sie zur Lösung von aktuellen Problemen der Menschheit beitragen. Drei neue Studien, die sich grundlegenden Prozessen der Photosynthese widmen, verfolgen das Ziel, diese für die Menschheit besser nutzbar zu machen.

Ohne Photosynthese sähe die Menschheit ziemlich schnell alt aus: Zum einen liefert sie uns den Sauerstoff, den wir zum Atmen, bzw. – chemisch gesehen – zur Energiegewinnung benötigen, zum anderen liefert sie Kohlenhydrate, die unsere Ernährungsgrundlage darstellen. Und so ganz nebenbei werden auch noch Grundstoffe für den Häuserbau, die Herstellung von Kleidung und so weiter bereitgestellt. Dabei funktioniert die Photosynthese theoretisch ganz einfach. Aus CO2, Wasser und Sonnenlicht entstehen Kohlenhydrate. Die dafür benötigte Energie holt sich die Pflanze, indem sie mit Hilfe des Sonnenlichtes Wasser spaltet. Diese effektive Produktionsweise hat das Potential, auch die Probleme der modernen Menschheit zu lösen – von erneuerbarer Energie und CO2-Reduktion bis hin zu höheren Ernten für die stetig wachsende Weltbevölkerung. Drei neue Studien beschäftigen sich daher mit verschiedenen Aspekten der Photosynthese, um sie in Zukunft besser nutzen zu können.

Sonnenschutz aus, Ertragssteigerung an

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Tabakblätter mit vorübergehender Überexpression von Genen, die an nichtphotochemischem Quenching (NPQ) beteiligt sind - ein System, das Pflanzen vor Lichtschäden schützt. Die roten und gelben Regionen stellen eine niedrige NPQ-Aktivität dar, während blaue und purpurne Bereiche hohe Niveaus zeigen, die durch Einwirkung von Licht induziert werden.

Tabakblätter mit vorübergehender Überexpression von Genen, die an nichtphotochemischem Quenching (NPQ) beteiligt sind - ein System, das Pflanzen vor Lichtschäden schützt. Die roten und gelben Regionen stellen eine niedrige NPQ-Aktivität dar, während blaue und purpurne Bereiche hohe Niveaus zeigen, die durch Einwirkung von Licht induziert werden.

Bildquelle: © Lauriebeth Leonelli and Matthew Brooks/UC Berkeley

Pflanzen sind die Grundlage der Ernährung für die Weltbevölkerung. Um den stetig wachsenden Bedarf zu decken, wurden schon viele Verbesserungen bei Zucht und Anbau von Nutzpflanzen entwickelt. Das wird aber nicht reichen: Prognosen zeigen, dass der steigende Bedarf an Nahrungsmitteln vermutlich nicht mit herkömmlichen Ertragssteigerungen gedeckt werden kann. In einer Studie haben Forscher darum versucht, die Photosynthese zu verbessern, indem sie einen wichtigen Schutzmechanismus veränderten.

Wenn eine Pflanze zu viel Licht bekommt, hat sie verschiedene effektive Schutzeinrichtungen: Einer davon ist die sogenannte Nicht-photochemische Löschung des Lichtes (Nonphotochemical Quenching, NPQ). Pflanzen nehmen die ankommende Lichtenergie mittels spezieller Lichtsammelkomplexe (LHC = Light Harvesting Komplex) des Photosystems II auf, die dadurch in einen angeregten Zustand versetzt werden.

Bei hoher Lichteinstrahlung läuft die Photosynthese auf Hochtouren, bis sie eine Lichtsättigung erreicht (das heißt, sie hat alle Kapazitäten ausgeschöpft, um das ankommende Licht zu nutzen). Ist die Photosynthese an ihrer Auslastungsgrenze angekommen, kann weiteres an den LHC ankommendes Licht nicht mehr weitergeleitet werden. In der Folge können sich vermehrt reaktive Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) bilden, die die Pflanze schädigen. Zudem verändert sich der pH-Wert innerhalb der Chloroplasten durch die in der Wasserspaltung freiwerdenden Protonen, die sich bei ausgelasteter Photosynthese im Thylakoidlumen des Chloroplasten ansammeln.

Um Probleme mit zu viel Licht zu verhindern, nutzt die Pflanze die Nicht-photochemische Löschung des Lichtes: Sobald der pH-Wert im Thylakoidlumen ansteigt, werden drei Enzyme aktiviert: Die Photosystem-II-Untereinheit S (PsbS), die Violaxanthin-Deepoxidase (VDE) und die Zeaxanthin-Epoxidase (ZEP). Letztere gehören zu einem speziellen Carotinoid-Zyklus, dem Xanthophyll-Zyklus. Die VDE reduziert das Carotinoid Violaxanthin zu Zeaxanthin, das sich anschließend an die Lichtsammelkomplexe anlagert und die überschüssige Energie vom LHC übernimmt. In einem weiteren Schritt wird Zeaxanthin von der ZEP wieder zu Violaxanthin umgebaut.

Übermäßiger Schutz

Die durch das NPQ abgeleitete Energie wird in Form von Wärme frei, die Photosynthese ist während dieser Zeit gedrosselt. Das Problem ist jedoch, dass sich der Xanthophyll-Zyklus nur sehr langsam wieder abschaltet. Er braucht dazu bis zu 15 Minuten. Das bedeutet, dass in dieser Zeit die Photosynthese nur unter gedämpften Bedingungen läuft, auch wenn die Lichtverhältnisse sich inzwischen wieder geändert haben und gar keinen Extraschutz mehr nötig machen. Berechnungen zeigen, dass die Produktionsdefizite der Photosynthese durch diesen Mechanismus im Bereich von 7,5 bis 30 Prozent liegen.

Aus diesem Grund befassten sich die Forscher mit Möglichkeiten, die Photosynthese nach einem solchen Ereignis schneller wieder hochzufahren und damit die Erträge zu steigern. Die Forscher vermuteten, dass eine Beschleunigung des Xanthophyll-Zyklus sowie ein Überangebot an PsbS, dessen Anwesenheit ebenfalls wichtig ist, eine schnellere Regeneration möglich machen könnten. Daher konstruierten sie Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum), in denen die Aktivität der drei entsprechenden Gene künstlich erhöht war, so dass mehr Enzyme produziert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die so veränderten Pflanzen tatsächlich bei wechselnden Lichtverhältnissen schneller reagierten: Die CO2-Fixierungsrate stieg bei den veränderten Pflanzen schneller wieder an als bei der Kontrollgruppe. Auch in Freilandexperimenten zeigte sich die verbesserte Leistungsfähigkeit der Pflanzen. Sie hatten einen um bis zu 15 Prozent erhöhten Biomassezuwachs gegenüber der Kontrollgruppe.

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Sich von der Natur inspirieren lassen: Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie hat einen synthetischen, aber biologischen Stoffkreislauf entwickelt, der effizient Kohlendioxid bindet. (Video in Englisch). (Quelle: MPI für terrestrische Mikrobiologie / mediomix; youtube.com)

Optimierter Mechanismus

Die Forscher erklärten diesen Effekt mit der Tatsache, dass Pflanzen im Freiland ständig wechselnden Lichtverhältnissen ausgesetzt sind, nicht nur durch Wolken, sondern auch durch Beschattung durch andere Blätter innerhalb des Feldes. Sobald die Lichtintensität abnimmt, bremst der träge Schutzmechanismus die Leistungsfähigkeit der Photosynthese für einige Zeit aus, obwohl es nicht mehr nötig wäre. Pflanzen deren Schutzmechanismus optimiert wurde, können schneller wieder ihre Photosynthese hochfahren und so mehr Biomasse produzieren. Würde man unter gleichbleibenden Lichtverhältnissen keinen Unterschied zu Wildpflanzen sehen, zeigen sich die Vorteile unter natürlichen Bedingungen umso deutlicher, betonen die Forscher. Vermutlich lassen sich diese Erkenntnisse auch auf andere Nutzpflanzen übertragen, da der Schutzmechanismus bei den meisten Pflanzen ähnlich funktioniert.

Die Dunkelreaktion der Photosynthese als Blaupause

Auch die Dunkelreaktion der Photosynthese ist von großem Interesse für die Forschung, denn durch sie kann CO2 fixiert werden, um daraus Kohlenhydrate zu bauen. Das ist in unserer Zeit von besonderem Interesse, da durch die zunehmende Menge an CO2 der Klimawandel weiter angeheizt wird.

Eine Möglichkeit, den Klimawandel zu bekämpfen wäre, mehr Pflanzen anzubauen. Wäre da nicht ein kleines Problem: Das wohl bekannteste Enzym der Photosynthese – die RuBisCo – das für die CO2-Fixierung zuständig ist, erwischt vergleichsweise häufig (bei etwas jeder fünften Reaktion) statt eines CO2-Moleküls ein Sauerstoffmolekül und ist damit ziemlich ineffizient. C4-Pflanzen haben dieses Problem umgangen, indem sie das CO2 vorfixieren und somit nahezu alle CO2-Moleküle, die der RuBisCo durch die Lappen gehen, doch noch erwischen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die RuBisCo zu ersetzen. Forscher des Max-Planck-Institutes für terrestrische Mikrobiologie in Marburg haben daher in einer neuen Studie versucht, statt der RuBisCo ein bakterielles, viel effizienteres Enzym, die Crotonyl-CoA Carboxylase/Reduktase, zur CO2-Fixierung zu nutzen und passend dazu einen künstlichen CO2-Fixierungs-Zyklus zu kreieren, mit dem auf synthetischem Wege Kohlenhydrate hergestellt und gleichzeitig CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden könnte. Denn die Crotonyl-CoA Carboxylase/Reduktase irrt sich bei der Fixierung von CO2 fast nie und ist zudem auch noch bis zu 20-Mal schneller als die RuBisCo.

Allerdings kann man die RuBisCo nicht einfach durch die Crotonyl-CoA Carboxylase/Reduktase ersetzen, um so die Photosynthese effektiver zu machen. Dazu müssen die einzelnen Enzyme genau aufeinander abgestimmt sein. Die Crotonyl-CoA Carboxylase/Reduktase braucht also weitere Begleiter, die ebenso schnell arbeiten und zusammen harmonieren. Die Forscher versuchten daher, diese Begleitenzyme aus anderen Lebewesen zusammenzustellen und so einen synthetischen Calvin-Zyklus zu erschaffen, der in der gewünschten Weise arbeitet.

Der „Multi-Kulti-Zyklus“

Aus 40.000 Enzymen verschiedener Datenbanken wurden innerhalb von zwei Jahren 17 Enzyme aus neun verschiedenen Lebewesen (darunter ein menschliches Enzym, eine Reduktase) aus allen drei Domänen ausgesucht, die optimal zusammenarbeiten können. So entstand der Crotonyl–Coenzym A (CoA)/ethylmalonyl-CoA/Hydroxybutyryl-CoA-Zyklus (CETCH), ein künstlicher Weg, um CO2 zu fixieren. Mit diesem Weg konnten die Forscher im Labor sehr schnell und effektiv CO2 umsetzen (5 nanomol CO2 pro Minute und Milligramm Protein, im Vergleich dazu schaffen die entsprechenden „natürlichen“ Enzyme 1 bis 3 nanomol CO2 pro Minute und Milligramm Protein). Er bekommt seine Energie allerdings nicht vom Licht, sondern durch die Bereitstellung von ATP und NADPH. Als Endprodukt entsteht Glyoxalsäure.

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Um die einzelnen Vorgänge genau zu beobachten, nutzten die Forscher einen neuartigen Elektronenlaser, der im Femtosekundenbereich Laserblitze sendet.

Um die einzelnen Vorgänge genau zu beobachten, nutzten die Forscher einen neuartigen Elektronenlaser, der im Femtosekundenbereich Laserblitze sendet.

Bildquelle: SLAC National Accelerator Laboratory

Dieser künstliche Zyklus stellt somit eine siebte CO2-Fixierungsmöglichkeit zu den bisher bekannten sechs natürlich entstandenen dar. Nach Meinung der Forscher ergeben sich daraus viele Nutzungsmöglichkeiten: Zum Beispiel könnten auf diesem Wege verschiedene Substanzen hergestellt werden, vom Antibiotikum bis hin zu Rohstoffen für die Energiegewinnung. Dazu könnte der Zyklus zum Beispiel in ein Bakterium eingebaut werden. Auch in Verbindung mit Solarenergie, die die benötigte Energie liefert, könnte der Zyklus verwendet werden. Aber auch wenn diese Möglichkeiten heute schon angedacht werden können, ist es bis zur Anwendung noch ein weiter Weg.

Die Spaltung von Wasser – geheimnisvolle Energiegewinnung

Der große Traum: Nach dem Vorbild der Pflanzen mit Hilfe von Licht Wasser spalten und so aus zwei im Überfluss vorhandenen Komponenten rückstandsfrei Energie gewinnen. Um diesem Szenario näher zu kommen, befasst sich eine dritte Studie mit den Vorgängen während der Wasserspaltung im Photosystem II. Denn wenn es möglich wäre, diese Form der Energiegewinnung technisch zu nutzen, könnten damit die Energieprobleme unserer Zeit vermutlich deutlich verringert werden.

Die Wasserspaltung findet an den Thylakoidmembranen der Chloroplasten von Pflanzen oder Cyanobakterien statt. Um die einzelnen Vorgänge genau zu beobachten, nutzten die Forscher einen neuartigen Elektronenlaser (x-ray free electron laser, XFEL), der im Femtosekundenbereich Laserblitze sendet. Bisher gab es das Problem, dass die Strahlen die Proben in Trümmer legten, bevor ausreichend Daten gesammelt werden konnten. Mit dieser neuen Technik wird das Problem umgangen: Durch die extrem kurzen Blitze (40 Femtosekunden, 1 Femtosekunde = 10-15 s) können Aufnahmen gemacht werden, bevor die Probe zerstört wird.

Und noch etwas ist neu: Statt wie bisher eingefrorene Proben zu nutzen, konnten erstmals die Aufnahmen bei Zimmertemperatur gemacht werden, wenn das PS II sozusagen „live“ in Aktion ist. Die Aufnahmen werden im Größenbereich von 2,25 Ångström gemacht (1 Å = 10-10 m), so dass es möglich ist, eine räumliche Einsicht in extrem winzige Bereiche zu erhalten. So konnten die verschiedenen Anregungszustände des PS II untersucht werden. Die gesammelten Daten wurden anschließend mittels Computersoftware zusammengesetzt. Die Forscher hoffen, so den Geheimnissen der Wasserspaltung auf die Spur zu kommen.

So ist die Photosynthese bis heute Gegenstand intensiver Forschung, da immer noch längst nicht alle Vorgänge vollständig verstanden sind. Dennoch könnte in der Photosynthese die Lösung für viele Probleme unserer Zeit liegen.

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