Photosynthese mit Dimmer-Funktion: Wie Algen ihre Lichtausbeute dynamisch regulieren

Forschende der Constructor University und der Princeton University haben in einer neuen gemeinsamen Studie einen „Dimmer" entdeckt, den bestimmte Algen nutzen, um die Lichtausbeute auf molekularer Ebene zu steuern. Der Mechanismus, der in Cryptophyten-Algen gefunden wurde – einzelligen Organismen, die Photosynthese in lichtarmen Unterwasserumgebungen betreiben – reagiert auf pH-Veränderungen in der inneren Umgebung der Alge und veranlasst spezielle Pigmentmoleküle, die Energieaufnahme hoch- oder herunterzuregeln. Die in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society veröffentlichte Studie kombiniert die Computerexpertise der Constructor University mit den experimentellen Fähigkeiten Princetons. Das bisher unbekannte Regulierungssystem könnte Auswirkungen auf klimaangepasste Landwirtschaft und pharmazeutische Forschung haben.

Die Studie konzentriert sich auf PC645, einen Proteinkomplex, der zur bemerkenswerten Fähigkeit von Cryptophyten-Algen beiträgt, effizient Photosynthese zu betreiben, indem sie spezialisierte lichtsammelnde Pigmente verwenden, die Energie aus dem schwachen, blaugrünen Unterwasserlicht einfangen können. Während der Photosynthese kann der pH-Wert im Inneren der Alge erheblich schwanken und beeinflussen, wie sie Lichtenergie verwaltet. Das Constructor-Princeton-Team fand heraus, dass bestimmte Pigmente innerhalb von PC645, sogenannte Mesobiliverdine (MBVs), als pH-empfindliche Regulatoren fungieren. Sie modulieren, wie effizient der Organismus Licht als Reaktion auf schwankende pH-Werte sammelt. Es ist eine neuartige Entdeckung, die faszinierende Implikationen haben könnte, wenn Wissenschaftler*innen ihren zugrunde liegenden Zweck bestimmen können.

„Wir haben zwar den Dimmer gefunden, aber wir wissen eigentlich noch nicht, wofür er da ist", erklärt Dr. Ulrich Kleinekathöfer, Professor für Theoretische Physik, der das Team der Constructor University leitete. „Wir wissen jetzt, dass es einen Mechanismus gibt, der dynamisch auf pH-Veränderungen reagiert, und wir haben einige Ideen und Annahmen über seinen Zweck, aber es werden weitere Untersuchungen erforderlich sein."

Komplementäre Zusammenarbeit

Die Forschung kombinierte die komplementäre und interdisziplinäre Expertise von Forschenden der Constructor University und aus Princeton. Die Computational Physics and Biophysics Group von Prof. Kleinekathöfer führte ausgefeilte Computersimulationen durch, um zu modellieren, wie sich die Pigmente bei verschiedenen pH-Werten verhalten. Ein Team von Forschenden an der Princeton University unter der Leitung von Professor Gregory Scholes – Chefredakteur des Journal of Physical Chemistry Letters und Fellow der Royal Society – führte experimentelle Messungen mittels Spektroskopie durch, um die computergestützten Vorhersagen erfolgreich zu validieren.

Die Zusammenarbeit ergab, dass die MBV-Pigmente bei schwankenden pH-Werten Veränderungen ihrer Schwingungseigenschaften durchlaufen, die ihre Energietransferraten um einen Faktor zwei bis drei verändern und im Wesentlichen den Dimmer ihrer Lichtsammeleffizienz herunterdrehen, wenn der pH-Wert steigt, und wieder hochdrehen, wenn er sinkt. Prof. Kleinekathöfers Computermodelle reproduzierten die experimentellen Beobachtungen quantitativ und zeigten eine Fluoreszenzlöschung von etwa 40-50 % bei hohem pH-Wert.

Die Forschung ergab auch, dass dieser pH-abhängige Regulierungsmechanismus möglicherweise über mehrere Arten photosynthetischer Proteine hinweg konserviert ist, was darauf hindeutet, dass er eine allgemeine Strategie darstellen könnte, die photosynthetische Organismen nutzen, um auf Umweltveränderungen zu reagieren. Das Team fand ähnliche strukturelle Merkmale in verwandten Proteinkomplexen, was darauf hindeutet, dass der Dimmer-Mechanismus weiter verbreitet sein könnte als ursprünglich angenommen.

„Wenn wir den Mechanismus verstehen und Wege finden, ihn zu modifizieren, könnte dies eines Tages in biomedizinischen oder pharmazeutischen Anwendungen verwendet werden, oder um beispielsweise Ernteerträge als Reaktion auf unser sich veränderndes Klima anzupassen", sagt Kleinekathöfer. „Menschen können gegenüber genetischen Modifikationen misstrauisch sein, weil sie Anpassungen sofort einführen können, für die die Natur normalerweise eine sehr lange Zeitspanne benötigen würde. Aber wir leben auch in einer Zeit, in der unser sich veränderndes Klima schnelle Veränderungen in unserer Umwelt verursacht. In der Lage zu sein, diese Art von Modifikationen und Anpassungen zu erleichtern, könnte ein hilfreiches oder sogar notwendiges Werkzeug sein, um auf die Art von großen Herausforderungen zu reagieren, denen wir aufgrund unseres sich verändernden Klimas begegnen."

Quantenbiologie: Leben auf Quantenebene

Die Studie bietet einen faszinierenden Einblick in die Quantenbiologie – ein relativ neues und intrinsisch interdisziplinäres Feld, das erforscht, wie Quantenphänomene in biologischen Systemen auftreten. „Als theoretischer Physiker ist es sehr lohnend zu sehen, wie Biologie, Chemie und Physik zusammenarbeiten, um uns neues Verständnis von und neue Perspektiven auf unsere natürliche Welt zu geben", sagt Prof. Kleinekathöfer. „Wenn wir wirklich mittendrin sind, können die Grenzen zwischen den Feldern vollständig verschwimmen, was es zu einem so aufregenden Forschungsbereich macht."

Prof. Kleinekathöfer und seine Forschungsgruppe Computational Physics and Biophysics an der Constructor University widmen sich der Förderung der Quantenbiologie. Zusätzlich zur Zusammenarbeit mit Princeton fungiert Prof. Kleinekathöfer als Hauptkoordinator von PhotoCaM, einem mit 2,6 Millionen Euro von der Europäischen Union geförderten Doktorand*innen-Ausbildungsnetzwerk, das sich auf Photosynthese und Quantenbiologie konzentriert.

Durch PhotoCaM helfen Prof. Kleinekathöfer und sein Netzwerk dabei, die nächste Generation von Computerwissenschaftler*innen auszubilden, die interdisziplinäre und komplexe Probleme wie Lichtsammlung auf molekularer Ebene erforschen können, und positionieren die Constructor University als führend in diesem aufstrebenden Feld.