Modellierung von Blaulichtpfaden in Proteinkomplexen der Photosynthese

• Antragsteller: Dr. Jan Philipp Götze
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393271229

Die meisten Pflanzen und andere autotrophe Organismen nutzen für die Wasserspaltung in der Photosynthese nur den roten Bereich des Lichts, wobei andere, energiereichere Lichtanteile vorher in rotes Licht umgewandelt werden. Wir untersuchten in der letzten Förderperiode, ob diese Prozesse potenziell komplexerer Natur sind; also ob diese Umwandlungen gesteuert stattfinden und wir sogar verschiedene Pfade für den Energietransport identifizieren können. Dabei legten wird insbesondere Augenmerk auf den Energietransfer zwischen Chlorophyllen im Blaulichtbereich. Außerdem zeigten wir, dass unsere computergestützten Methoden für die Beschreibung sowohl der Chlorophylle als auch der Hilfskomponenten (Carotinoide) grundsätzlich geeignet sind, jedoch Möglichkeiten für Verbesserungen existieren.Im Rahmen der neuen Förderperiode möchten wir daher primär untersuchen, wie der Energietransfer (blaues Licht, aber auch rot) zwischen den Antennen der Pflanzen stattfindet. Aus dem vorangehenden Projektzeitraum verfügen wir über etablierte Modelle von zwei der wichtigsten Bausteine (LHCII und CP29). Daher können wir diese beiden Komplexe und Steuerproteine wie PsbS nutzen, um über die Vorgänge innerhalb der Komplexe hinaus ein dynamisches Netzwerk der Energieweiterleitung zu erstellen. Hierzu werden wir den Transfer mit Hilfe der etablierten Ansätze untersuchen, und dann die gefundenen Eigenschaften von blauem und rotem Licht miteinander ins Verhältnis setzen. Unsere Vermutung ist, dass rotes Licht bevorzugt weitergeleitet wird; erste Hinweise darauf haben wir bereits aus dem laufenden Projekt. Wir haben auch vor, den Endpunkt der Energieweiterleitung (PSII) in unser Projekt zu integrieren.Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir unter anderem die von uns entwickelten Methoden nutzen; eine Schnittstelle zwischen aufwendigen (quantenchemischen) und kostengünstigen (Kraftfeld) Ansätzen. Eine Weiterentwicklung dieses Programms ist ein Nebenziel des Projekts. Es ermöglicht uns die effiziente Berechnung optischer Spektren und Proteineigenschaften, ohne dabei die genutzten Programme wechseln zu müssen.Es verbleiben zudem die übergeordneten Fragestellungen aus dem ursprünglichen Antrag: Welche Wege nimmt blaues Licht im Vergleich zu rotem Licht unter verschiedenen Bedingungen? Sind Abregungen im gleichen Molekül schneller als der Transfer zu anderen Chromophoren? Welche Rolle spielen die ausschließlich blau absorbierenden Carotinoide? Sind die gängigen Modelle für den Energietransfer zwischen Molekülen nützlich (z.B. Förstertransfer) oder sind andere Ansätze notwendig? Wir möchten im Rahmen der nächsten Förderperiode alle oder zumindest Teile dieser Fragen (auch durch Kooperationen mit vielen der hierzu arbeitenden Forschergruppen) angehen. Unser Hauptbeitrag zu diesem intensiv untersuchten Forschungsfeld wird es sein, insbesondere den Einfluss der Proteinmatrix auf die o.g. Fragen zu testen und dadurch experimentell überprüfbare Vorhersagen zu erzeugen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen