Wie Mangan zum Photosyntheseapparat gelangt – Existenz zellulärer Biogenese-Zentren erstmals bewiesen

Wissenschaftler um Professor Jörg Nickelsen vom Biozentrum der LMU identifizierten nun ein Protein, das als Shuttle fungiert und Mangan auf das Photosystem überträgt. Damit konnten die Wissenschaftler das Wissen über die komplexen Vorgänge bei der Photosynthese um eine weitere Facette erweitern – langfristig könnten ihre Ergebnisse dazu beitragen, künstliche Photosysteme zu entwickeln, mit denen umweltfreundlichere Treibstoffe wie etwa Wasserstoff hergestellt werden könnten.

Zudem gelang es den Forschern, erstmals die Existenz sogenannter Biogenesezentren nachzuweisen: In diesen speziellen Zellregionen werden frühe Vorstufen des Photosystems zusammengebaut und erst danach an ihren eigentlichen Bestimmungsort transportiert. Auch die Mangan-Übertragung auf das Photosystem findet hier statt. (Plant Cell, 7.2.2012)

Pflanzen, Algen und einige Bakterien betreiben Photosynthese, um mithilfe von Sonnenlicht Energie und Kohlenhydrate zu gewinnen. Ohne die Photosynthese wäre das Leben auf der Erde – so wie wir es kennen – unmöglich, da dieser Prozess auch den von fast allen Organismen benötigten Luftsauerstoff produziert. Das für die Photosynthese benötigte Sonnenlicht wird von sogenannten Photosystemen aufgenommen, die in einem speziellen Membransystem – den Thylakoidmembranen – sitzen und neben lichtabsorbierenden Chlorophyllen auch eine Reihe verschiedener Proteine beinhalten. Einer dieser Multiproteinkomplexe – das Photosystem II – enthält zudem das Metall Mangan. Mangan ist ein für alle Lebewesen essentielles Element, das eine der bemerkenswertesten Reaktionen in der Natur katalysiert: Die Spaltung von Wasser, die unter anderem zur Freisetzung atmosphärischen Sauerstoffs führt. Der Zusammenbau des Photosystems erfolgt, indem wie am Fließband schrittweise die einzelnen Komponenten zusammengefügt werden. Dazu werden eine Reihe von Hilfsfaktoren benötigt. Wie und wo das Mangan in das Photosystem II eingebaut wird, war bisher unbekannt. In ihrer neuen Studie nutzten die Wissenschaftler das Cyanobakterium Synechocystis als Modell und konnten nachweisen, dass das Hilfsprotein PratA dabei eine wesentliche Rolle spielt, indem es Mangan bindet und wie ein Shuttle zum Photosystem II transportiert.

Interessanterweise findet die Übertragung des Mangans allerdings nicht direkt in der Thylakoidmembran statt, sondern in speziellen Zellregionen, die die zellinterne Thylakoidmembran mit der die Zelle umgebenden Plasmamembran verbinden. „Die Existenz dieser sogenannten Biogenesezentren wurde in den letzten Jahren bereits vermutet und konnte nun von uns erstmals belegt werden“, sagt Nickelsen. In den Biogenesezentren werden frühe Vorstufen des Photosystems II zusammengebaut und anschließend an ihren eigentlichen Wirkort in der Thylakoidmembran transportiert. „Erste Untersuchungen an der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana deuten darauf hin, dass der Mechanismus des Mangan-Transports möglicherweise evolutionär konserviert ist und nicht nur in Cyanobakterien, sondern auch in höheren Pflanzen nach einem ähnlichen Schema abläuft“, erklärt Nickelsen.

Der effiziente Einbau von Mangan in das Photosystem II ist entscheidend für dessen essentielle Funktion bei der Spaltung von Wasser in Sauerstoff, Protonen und chemisch gebundene Elektronen. Protonen und Elektronen lassen sich theoretisch zu Wasserstoff vereinigen. Ein besseres Verständnis dieses Prozesses könnte daher langfristig genutzt werden, um mithilfe künstlicher Photosysteme in chemischen Reaktoren „saubere“ Treibstoffe wie etwa Wasserstoff zu erzeugen. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Energien stellt die effiziente Erzeugung solcher alternativer umweltfreundlicher Biokraftstoffe eine wichtige Herausforderung für die Zukunft dar. (göd)

Publikation:
„Initial Steps in Photoystem II de novo Assembly and Preloading with Manganese Take Place in Biogenesis Centers in Synechocytis”;
A. Stengel, I.L. Gügel, D. Hilger, B. Rengstl, H. Jung, J. Nickelsen;
The Plant Cell, online 7.2.2012

Kontakt:
Prof. Dr. Jörg Nickelsen
Biozentrum der LMU
Tel.: 089 / 2180 – 74773
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E-Mail: joerg.nickelsen@lrz.uni-muenchen.de