Geheimnis der Cyanobakterien entschlüsselt

Bald künstliche Photosynthese? Wie genau Cyanobakterien CO2 effizient umwandeln

Ein internationales Forschungsteam konnte das Geheimnis der Cyanobakterien lüften. Künftig wird es so möglich sein, bei ihnen “abzuschauen”, wie sie  Luft-CO2 in wasserlösliche Kohlensäure umwandeln und vor dem Aufbau von Biomasse in der Zelle zwischenspeichern. Das hat jetzt ein Forscherteam unter Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum in der Zeitschrift Nature Communications erläutert.

Flechten, Moose und Cyanobakterien nehmen CO2 und N2 auf und geben N2O und CH2 ab – Foto © Karl-Heinz Kaupe, Grafik Grafikbüro MPIC

Fotosynthetische Organismen nutzen mithilfe von Sonnenlicht CO2 aus der Luft zum Aufbau von Biomasse. Cyanobakterien sind dabei besonders effizient, weil sie das Gas zunächst in wasserlösliche Kohlensäure umwandeln und zwischenspeichern. Wie genau sie das machen, konnte ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) gemeinsam mit internationalen Kollegen erstmals im Detail klären. Das macht es künftig möglich, die Tricks der Bakterien zu nutzen, zum Beispiel für die Produktion nachhaltiger Kraftstoffe.

Waren überrascht, dass die molekularen Details der biologischen CO2-Umwandlung bei Cyanobakterien doch anders sind als zuvor gedacht und wollen demnächst bei Cyanobakterien abgucken: Jacqueline Thiemann und Marc Nowaczyk – Foto© RUB, Marquard

Fotosynthetische Organismen nutzen mithilfe von Sonnenlicht Kohlenstoffdioxid aus der Luft zum Aufbau von Biomasse. Cyanobakterien sind dabei besonders effizient, weil sie das Gas zunächst in wasserlösliche Kohlensäure umwandeln und zwischenspeichern. Wie genau sie das machen, konnte ein Forschungsteam der RUB gemeinsam mit internationalen Kollegen erstmals im Detail klären. Das macht es künftig möglich, die Tricks der Bakterien zu nutzen, zum Beispiel für die Produktion nachhaltiger Kraftstoffe. Das Team berichtet in der Zeitschrift Nature Communications vom 24.01.2020.

Kohlensäure wird in der Zelle zwischengespeichert

Cyanobakterien nutzen für die Umwandlung von gasförmigem CO2 aus der Luft einen speziellen Membranproteinkomplex – eine Variante des fotosynthetischen Komplex I. Er arbeitet zum einen als Protonenpumpe, ist aber zusätzlich mit einem einzigartigen Modul versehen, das CO2 aus der Atmosphäre konzentriert. Das gasförmige CO2 wird dabei unter Energieverbrauch in wasserlösliche Kohlensäure umgewandelt, die dann in der Zelle gespeichert wird. Die dafür notwendige Energie stammt aus Sonnenlicht und wird durch weitere fotosynthetische Proteine bereitgestellt, mit denen der Komplex verbunden ist.

Effizientere Fotosynthese für Nutzpflanzen oder nachhaltige Solarkraftstoffe

Das Team um Privatdozent Marc Nowaczyk vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen konnte diesen Mechanismus erstmals aufklären. Das könnte die Grundlage dafür sein, seine Bausteine künftig zu nutzen. „Auf dieser Basis könnte man versuchen, die fotosynthetische Effizienz anderer Organismen wie Nutzpflanzen weiter zu verbessern, oder man könnte diese in der Natur vorkommenden molekularen Prinzipien für eine effiziente Energieumwandlung auf synthetische Systeme übertragen, zum Beispiel zur Produktion nachhaltiger Solarkraftstoffe“, hofft Nowaczyk, der auch an der Entwicklung solcher Biohybridsysteme zur fotosynthetischen Energieumwandlung forscht. „Mich fasziniert dabei die Modularität der molekularen Bausteine, die wie in einem Baukastensystem neu miteinander kombiniert werden können“, erklärt er.

Abstract aus Nature Communications

Photosynthetische Organismen fangen Lichtenergie ein, um ihren Energiestoffwechsel voranzutreiben, und nutzen die chemische Reduktionskraft, um CO2 in organische Moleküle umzuwandeln. Die Photorespiration reduziert jedoch die photosynthetische Ausbeute erheblich. Um unter niedrigen CO2-Konzentrationen zu überleben, haben Cyanobakterien einzigartige Mechanismen zur Kohlenstoffkonzentration entwickelt, die die Effizienz der photosynthetischen CO2-Fixierung verbessern, deren molekulare Prinzipien bisher unbekannt sind. Wir zeigen hier, wie modulare Anpassungen es dem photosynthetischen Cyanobakterien-Komplex I ermöglichten, CO2 mit Hilfe einer Redox-getriebenen Protonen-Pumpvorrichtung zu konzentrieren. Unsere Struktur in der Kryo-Elektronenmikroskopie mit einer Auflösung von 3,2 Å zeigt ein katalytisches Kohlensäureanhydrase-Modul, das ein aktives Zn2+-Zentrum enthält, das mit Protonenpump-Untereinheiten verbunden ist, die durch den Elektronentransfer vom Photosystem I aktiviert werden. Unsere Ergebnisse veranschaulichen die molekularen Prinzipien in der Maschinerie des Photosynthesekomplexes I, die es den Cyanobakterien ermöglichten, unter drastisch veränderten CO2-Bedingungen zu überleben.

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