High-Speed in der Photosynthese

Der Wissenschaft gelingt der Einbau einer funktionstüchtigen cyanobakteriellen RuBisCo in eine höhere Pflanze. Der Versuch ist Teil eines Forschungsvorhabens, in dem höhere Pflanzen zur Ertragssteigerung eine leistungsfähigere RuBisCo sowie ein Zellkompartiment zur CO₂-Anreicherung erhalten sollen.

Pflanzen, die höhere Erträge bringen, sind seit langem Gegenstand intensiver Forschung. Zum einen muss eine wachsende Zahl an Menschen mit Nahrung versorgt werden, zum anderen wird versucht, mehr CO₂ in Pflanzen zu binden und so die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre zu senken.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei ein uraltes Enzym: Die Rubisco. Sie fixiert das CO₂ und bringt es in den Calvin-Zyklus, wo mit der Energie aus der Lichtreaktion der Photosynthese Kohlenhydrate gebildet werden. Da sie aber auch gerne mal an Sauerstoff bindet und somit die Leistung der Photosynthese schmälert, bemühen sich Forscher seit langem, diese Ineffizienz zu verringern. In ihrer neuen Studie haben Wissenschaftler jetzt versucht, die in höheren Pflanzen natürlich vorkommende Rubisco gegen eine leistungsfähigere aus einem Cyanobakterium zu ersetzen.

CO₂-Fixierung und Photorespiration

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Die Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/oxygenase) ist eins der häufigsten und wichtigsten Enzyme der Welt. Sie befindet sich in den Chloroplasten und ist ein Schlüsselenzym der Photosynthese, da sie das CO₂ aus der Umgebungsluft aufnimmt (CO₂-Fixierung) und an das Molekül Ribulose-1,5-bisphosphat anbaut. Der entstehende C6-Körper (ein Molekül mit 6 Kohlenstoffatomen) zerfällt sofort zu zwei C3-Körpern (3-Phosphoglycerat), die im Calvin-Zyklus zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat und anschließend zu Stärke weiterverarbeitet werden.

Allerdings neigt die Rubisco auch dazu, Sauerstoffmoleküle zu binden. Dann entstehen ein Molekül 3-Phosphoglycerat und ein Molekül 2-Phosphoglycolat, das für die Pflanze nicht von Nutzen ist. Daher wird es in der sogenannten Photorespiration zu 3-Phosphoglycerat unter Energieverbrauch „recycelt“. Ein Teil des dabei wieder freiwerdenden CO₂ wird zwar von der Rubisco refixiert. Trotzdem vermutet man, dass der Verlust an Kohlenstoff durch die Photorespiration bis zu 25 Prozent der Photosyntheserate betragen könnte – umso mehr, je wärmer die Umgebung ist.

Sauerstoffarme Zone erwünscht

Die Neigung der Rubisco, Sauerstoff zu fixieren und damit die Photosyntheserate zu schmälern, ist in vielen Forschungsvorhaben untersucht worden und es gab diverse Versuche, durch einen Umbau des Enzyms diese Neigung zu verringern. Da aber die verschiedenen Einheiten des Enzyms zum Teil auf der DNA des Zellkerns, zum Teil aber auch auf der DNA der Chloroplasten codiert sind, klappte es bisher nicht, ein funktionierendes Enzym zu formen, da bisher immer nur entweder die entsprechenden Zellkern-Gene oder die Chloroplasten-Gene ausgetauscht wurden.

Ebenso wurde versucht, in der Pflanze künstlich Bereiche zu schaffen, in denen CO₂ aktiv angereichert wird, wie es etwa bei C4-Pflanzen und Cyanobakterien der Fall ist. Einige wichtige Nahrungspflanzen wie der Mais sind C4-Pflanzen und haben aufgrund der höheren CO₂-Fixierungsrate eine bessere Photosynthesebilanz als C3-Pflanzen wie Reis oder Weizen. Besonders in wärmeren Gegenden erweist sich die verbesserte CO₂-Fixierung als ein Vorteil, da C4-Pflanzen auch bei höheren Temperaturen und fast geschlossenen Spaltöffnungen der Blätter, den Stomata, noch gut arbeiten können, während C3-Pflanzen ihre Photosyntheserate herunterfahren.  Ein einfacher Umbau zu einer C4-Pflanze wird bereits beim Reis versucht (C4-Reis), ist aber nicht so einfach, da vor allem anatomische Veränderungen wie die für die Vorfixierung des CO₂ speziell angeordneten Mesophyllzellen („Kranzanatomie“, siehe auch C4-Photosynthese) erreicht werden müssten.

Platz für die neue Rubisco

Die Forscher versuchten in ihrer neuen Studie beides. Anstatt eine C4-Pflanze zu formen, übernahmen sie den gesamten CO₂-Fixierungs-Mechanismus von Synechococcus elongatus, einem Cyanobakterium. Cyanobakterien besitzen spezielle Organellen, sogenannte Carboxysomen, in denen CO₂ angereichert wird. Im ersten Teil der Versuchsreihe, der im Frühjahr abgeschlossen wurde, hatten die Forscher bereits erfolgreich versucht, in Pflanzenzellen Carboxysomen zu erzeugen. Im zweiten, nun vorliegenden Teil versuchten sie, die Gene der Rubisco von Synechococcus elongatus in Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum) einzubauen, um zu beobachten, ob die Pflanze mit diesem Enzym arbeiten konnte, also lebensfähig war. Die eine Gruppe von Tabakpflanzen ergänzten die Forscher zusätzlich mit einem Chaperon, einem Protein, das die korrekte Faltung des neu entstehenden Enzyms überwacht. In eine zweite Gruppe kam stattdessen ein Protein, das die ersten Schritte beim Aufbau eines cyanobakteriellen Carboxysoms fördert. Eine dritte Gruppe Tabakpflanzen diente als Kontrolle.

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Große Leistungsfähigkeit

Die Forscher stellten fest, dass die transgenen Pflanzen beider Gruppen sich normal entwickelten, allerdings gingen sie bei einer natürlichen Konzentration von etwa 400 ppm CO₂ ein. Erst bei einer Konzentration von 9000 ppm CO₂ konnten sie wachsen, wenn auch etwas langsamer als ihre „normalen“ Kollegen. Dies liegt nach der Meinung der Forscher daran, dass die Rubisco von Cyanobakterien bei wenig CO₂ in der Luft deutlich mehr Sauerstoff bindet als die Rubisco höherer Pflanzen. Das sie normalerweise in CO₂-angereicherten Kompartimenten, den Carboxysomen, arbeitet und kaum mit Sauerstoff in Berührung kommt, haben Cyanobakterien dadurch keine Nachteile. Ohne diese speziellen Räume allerdings ist diese Rubisco auf hohe CO₂-Konzentrationen angewiesen. Auch die geringe Menge an Protein ist ein möglicher Grund: Nur 18 Prozent Rubisco konnten die Forscher in den transgenen Chloroplasten entdecken.

In einem zweiten Versuch untersuchten die Forscher die Umsatzraten der transgenen Rubisco bei unterschiedlichen CO₂-Konzentrationen im Vergleich zu ihrer natürlichen „Schwester“. Während die normale Rubisco bereits bei 125 µM CO₂ keinen Aktivitätszuwachs mehr zeigte, war die transgene Rubisco hier noch steigerungsfähig. Auch bei niedrigeren Raten war sie grundsätzlich leistungsfähiger als die natürliche.

Der Anfang ist gemacht

Mit diesen Untersuchungen konnten die Forscher zeigen, dass eine Rubisco aus Cyanobakterien in einer transgenen höheren Pflanze funktionieren kann. Im nächsten Schritt soll der transgenen Rubisco ein passender Arbeitsraum mit erhöhter CO₂-Konzentration und möglichst wenig Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden – erste Versuche dazu hatten die Forscher bereits im Frühjahr diesen Jahres vorgestellt. Dazu müssen allerdings noch spezielle Mechanismen entwickelt werden, die das CO₂ in die Kompartimente bringen und dort anreichern. An diesem dritten Teil der Studie wird noch gearbeitet. Alles zusammen müsste in einer Pflanze zu steigenden CO₂-Fixierungsraten und somit zu einem Nettogewinn an Kohlenhydraten führen, so die Hoffnung der Forscher. Dann könnte in Zukunft vielleicht auch die Ertragsleistung wichtiger Nutzpflanzen wie Weizen gesteigert werden.