Photosynthese optimieren

Um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren und natürliche Ökosysteme zu schützen, müssen unsere wichtigsten Nutzpflanzen höhere Erträge liefern. Eine Stellschraube dafür ist die Photosynthese, also der Prozess, bei dem die Pflanzen mit Hilfe von Sonnenlicht und Kohlendioxid organische Stoffe herstellen.

Bisher gibt es bei diesem Prozess jedoch einen Flaschenhals: Das zentrale Enzym der Photosynthese, die sogenannte Rubisco, arbeitet nicht besonders effizient. Anstatt sich jedes Mal ein Molekül Kohlendioxid (CO₂) zu greifen, baut sie häufig ein Sauerstoff-Molekül (O₂) ein und vergeudet dadurch Energie. Einige Pflanzen, Algen und autotrophe Bakterien haben Möglichkeiten entwickelt, diesen Prozess zu verbessern. Ihr Trick: Sie reichern Kohlendioxid in ihren Zellen an, damit Rubisco weniger Fehler macht. Cyano- und Proteobakterien beispielsweise verfügen über kleine Organellen im Zellplasma, Carboxysomen genannt, in denen sie die Konzentration von Kohlendioxid erhöhen können. Doch viele unsere wichtigsten Nahrungspflanzen verfügen nicht über solche CO₂-Anreicherungs-Mechanismen.

Neun Gene übertragen

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Jetzt ist es einem Team von Wissenschaftler:innen unter Leitung von Lu-Ning Liu von der Universität Liverpool erstmals gelungen, ganze Carboxysomen aus dem Bakterium Halothiobacillus neapolitanus in den Chloroplasten von Tabakpflanzen zu exprimieren. „Wir freuen uns sehr über diesen Durchbruch. Unsere Ergebnisse zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, mit dieser Methode Nutzpflanzen zu verbessern, damit sie widrigen klimatischen Bedingungen besser standhalten und den steigenden Nahrungsbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung decken können“, sagt Lu-Ning Liu.

Insgesamt übertrug das Forschungsteam neun Gene aus dem Bakterium in das Chloroplastengenom. Nachdem die Gene in Proteine übersetzt worden waren, setzten sie sich selbstständig zu Carboxysomen zusammen, die in Aussehen und Funktion den Originalen sehr ähnlich waren. Der wichtigste Punkt: Sie befähigten die transgenen Pflanzen zu einer gesteigerten Photosynthese – allerdings nur, wenn die Konzentration von Kohlendioxid in der Luft um ein Prozent erhöht wurde. Zum Vergleich: In der normalen Luft befinden sich nur etwa 0,04 Prozent CO₂.

Mehrere Stellschrauben fürs Finetuning

Das zeigt, dass noch weitere Feinabstimmungen notwendig sind. Stellschrauben gibt es viele. Ein Problem könnte zum Beispiel sein, dass die Proteine in den Chloroplasten nicht im richtigen Mengenverhältnis hergestellt werden. Vektor- oder Codon-Optimierung könnten hier Abhilfe schaffen. Außerdem müssen in der inneren Membran der Chloroplasten Transportproteine vorhanden sein, die Hydrogencarbonat (HCO₃^-) aus dem Zellplasma in die Chloroplasten hinein transportieren. Diese Moleküle können anschließend durch Diffusion in die Carboxysomen gelangen, wo sie von den Carboanhydrasen zu CO₂ umgewandelt werden. Damit dieser Prozess erfolgreich ablaufen kann, ist es jedoch notwendig, die natürlicherweise im Zellplasma vorhandenen Carboanhydrasen zu eliminieren.

Nichtsdestotrotz ist den Wissenschaftlern ein gewaltiger Durchbruch gelungen, der das Potential hat, die Photosynthese von wichtigen Nahrungspflanzen wie Weizen, Gerste oder Kartoffeln zu verbessern und ihre Erträge zu steigern.  

Quelle:
Chen, T., Hojka, M., Davey, P. et al. Engineering α-carboxysomes into plant chloroplasts to support autotrophic photosynthesis. Nat Commun 14, 2118 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37490-0

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Künstliche Photosynthese – Acetat aus CO2 und Sonnenstrom: Neue Kohlenstoff- und Energiequelle für Pflanzen
• Neuer Weg zur Steigerung der Photosyntheseleistung – Kopplung von Photorespiration und C4-Stoffwechsel

• Photosynthese 2.0 – Von der Jagd nach mehr Effizienz bis zum künstlichen Blatt

Titelbild: Schwefeloxidierende Bakterien wie Halothiobacillus neapolitanus leben oft an hydrothermalen Tiefseequellen. Die Carboxysomen aus den Bakterien können auch in pflanzliche Chloroplasten eingebracht werden und dort die Photosyntheseleistung verbessern. (Bildquelle: © MARUM / Universität Bremen, CC BY 4.0)