Photosynthetische Untersuchungen zur Modulation der protonenmotorischen Kraft durch ATP-Synthase und Cytochrom-b6f-Komplex

• Antragsteller: Dr. Felix Buchert
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461765884

Bei der Photosynthese wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. Der lichtgetriebene Elektronentransport erfolgt zumeist linear (von Wasser auf CO2) unter Zuhilfenahme zweier Photosysteme, die durch den Cytochrom-b6f-Komplex und mobile Elektronenträger gekoppelt sind. Zyklischer Elektrontentransport zwischen Photosystem I und Cytochrom-b6f-Komplex dient unter suboptimalen Bedingungen der Produktion von zusätzlichem ATP durch die ATP-Synthase. Letztere nutzt die Energie der protonenmotorischen Kraft (pmf), die bei beiden Elektronentransportwegen generiert wird. Die pmf besteht aus einer elektrischen (delta.psi) und einer osmotischen Komponente (delta.pH). Dem delta.pH kommt eine besondere Funktion zu: ein saures Thylakoidlumen schützt Photosystem II durch erhöhte nichtphotochemische Fluoreszenzlöschung und somit Abgabe überschüssiger Anregungsenergie. Gleichzeitig wird durch den delta.pH Photosystem I geschützt indem am Cytochrom-b6f-Komplex eine Elektronentransferdrosselung bewirkt wird. Ein zu großer delta.pH und delta.psi hingegen können Photosystem II schädigen. Somit müssen die pmf Komponenten ständig optimal abgestimmt werden. Zumeist geschieht das über die vielfältige Regulation der ATP-Synthaseaktivität im Licht und im Dunkeln, die für die Protonenleitfähigkeit der Membran verantwortlich ist.Die ATP-Synthase in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ist in der Lage, ATP im Dunkeln zu hydrolysieren und so eine relativ hohe pmf aufrecht zu erhalten. In vaskulären Pflanzen wie Arabidopsis thaliana findet diese Art der ATP-Hydrolyse nicht statt. Ein Ansatz der Arbeit ist die mutantengesteuerte Herstellung dieser Dunkelaktivität in Arabidopsis bzw. die Abschaffung eben jener in Chlamydomonas. Weiteren Mutanten in unserer Studie fehlt die ATP-Synthasefunktion, ihre Protonenleitfähigkeit bei ineffizientem CO2-Metabolismus zu begrenzen. Wir möchten somit untersuchen, ob der funktionelle Erhalt des Photosyntheseapparats in Arabidopsis und Chlamydomonas auf diese Eigenschaften der ATP-Synthase angewiesen ist, insbesondere bei sich ändernden Lichtverhältnissen. Hier wird sich zeigen, ob und wie sich zusätzliche Lichtschutzmechanismen bemerkt machen werden, die sich zwischen Algen und Landpflanzen unterscheiden. Wir werden dazu auch den Cytochrom-b6f-Komplex mit seiner pH-sensorischen Funktion herbeiziehen, die ggf. durch eine Punktmutation falsch kalibriert ist. Dadurch wollen wir die generierte pmf in den ATP-Synthasemutanten von Chlamydomonas qualitativ beschreiben. Außerdem soll der Cytochrom-b6f-Komplex so manipuliert werden, dass er in seiner delta.psi Sensorik und somit Funktionalität gestört ist. In einem separaten Ansatz möchten wir versuchen zu verstehen, inwieweit sich die Photosyntheseeffizienz in Algen auf die Protonenturbine der ATP-Synthasen eingestellt hat. Da letztere ein molekulares Oligomer ist und somit die pmf Amplitude diktiert, möchten wir ATP-Synthasen mit kleineren und größeren Turbinen erzeugen und untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen