Oxygene Photosynthese am Energielimit: Membranen und Proteine für das Wachstum im nahen Infrarotbereich

• Antragsteller: Dennis Nürnberg, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429536723

Die oxygene Photosynthese hat die Entwicklung der heutigen Biosphäre ermöglicht. Sie nutzt Chlorophyll a (Chl a) um Solarenergie in chemische Energie umzuwandeln. Typischerweise absorbiert dabei das Chl a im sichtbaren Spektralbereich mit Lichtwellenlängen von bis zu 700 nm. Dies ist die klassische "Rotgrenze", die mit dem Energieschwellenwert der primären Photochemie zusammenfällt. Einige Cyanobakterien können die Rotgrenze in den nahen Infrarotbereich verschieben, in dem sie Chl f bilden und nutzen. Chl f ist das am weitesten rot-verschobene unter den heute bekannten Chlorophyllen der oxygenen Photosynthese. Es unterstützt die Dunkelrot-Photosynthese in ökologischen Nischen, die von anderen phototrophen Organismen nicht besetzt werden. Chl f findet sich nicht nur in den Lichtsammelkomplexen, sondern auch im Herzen der Reaktionszentren der Photosysteme. Die Frage wie langwellige und somit niederenergetische Lichtquanten die primären und folgenden Reaktionen der Photosynthese antreiben können, ist von hohem Interesse, u.a. für modifizierte biologische oder artifizielle Photosynthese mit erhöhter Effizienz der Sonnenlichtnutzung.Ziel ist das Verständnis der Veränderungen auf Membran- und Proteinebene in der Dunkelrotlicht-Akklimatisation, die es den Chl f-Organismen erlauben, oxygene Photosynthese auch mit Lichtquanten vergleichsweise geringer Energie zu realisieren. Vorhergehende Arbeiten des Antragstellers führten zu einer Hypothese zur Funktion langwelliger Chlorophylle als primäre Elektronendonoren, die geprüft und ggf. erhärtet werden soll. Zu diesem Zweck kommt ein umfassender Satz spektroskopischer, biochemischer und molekularbiologischer Methoden zum Einsatz. Ein neu entworfenes Tieftemperaturspektrometer soll in Kombination mit Röntgenstrukturdaten die Aufklärung der genauen Positionen der Chl f-Moleküle ermöglichen; die funktionelle Rolle der Chlorophylle wird durch Fluoreszenz-, FTIR- und EPR-Spektroskopie untersucht. Durch die genetische Modifikation von Chl a-Cyanobakterien wird die Möglichkeit der Dunkelrot-Photosynthese in diesen Organismen erkundet. Ob es den vom Antragsteller zuvor postulierten "Trade-off" zwischen Nutzung eines vergrößerten Spektralbereich des Sonnenlichts einerseits und verstärkter Lichtschädigung andererseits kommt, soll auf Zell- und Proteinebene untersucht werden. Die Anpassung der photosynthetischen Membranen an die Dunkelrotbedingungen wird mit hochauflösende Mikroskopietechniken u.a. in Hinblick auf Bildung spezialisierter Membrandomänen untersucht.Die erwarteten Projektergebnisse ermöglichen Einsichten zur Lichtakklimatisation photosynthetischer Organismen und prinzipieller energetischer Grenzen der oxygen Photosynthese (Rotgrenze). Des Weiteren unterstützen sie die Abschätzung der Chancen, genetisch modifizierter Kulturpflanzen zu erzeugen, die einen erweiterten Spektralbereich des Sonnenlichts nutzen, um eine erhöhte Effizienz der Solarenergienutzung zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Low-temperature transient absorption spectroscopy setup
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser