Die Auswirkungen der protonenmotorischen Kraft auf die Architektur und Funktion der Thylakoide

• Antragsteller: Professor Dr. Benjamin Engel, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507704013

Thylakoidmembranen enthalten photosynthetische Komplexe, die den lichtgetriebenen Elektronentransfer mit der Ausbildung einer protonenmotorischen Kraft (PMF, bestehend aus Delta-pH und Delta-Psi) koppeln, welche die Produktion von ATP antreibt. Somit ist die Thylakoidarchitektur eng mit einer effizienten Photosynthese verbunden. Thylakoide sind flach statt kugelförmig, wodurch die Konzentration von photosynthetischen Komplexen pro Lumenbereich erhöht wird, während gleichzeitig eine Ausrichtung für die Diffusion vom löslichen Elektronenträgers Plastocyanin durch das Thylakoidlumen bereitgestellt wird. Die Thylakoidarchitektur ist jedoch nicht statisch, sondern reagiert auf Änderungen der Lichtqualität und -quantität. Vorläufige elektronenmikroskopische Beobachtungen in Cyanobakterien, Grünalgen und Pflanzen zeigen, dass das Thylakoidlumen unter erhöhter Lichtintensität anschwillt. Eine logische Hypothese wäre, dass die Ansäuerung des Lumens (Delta-pH) und ionenflussgetriebene Änderungen des Membranpotentials (Delta-Psi) mit osmotischen Kräften gekoppelt sein könnten, die das Lumen erweitern. Die genaue Dynamik und der Mechanismus dieser architektonischen Veränderungen sind jedoch unklar. Das Ziel dieses Projekts ist es, die mechanistischen Grundlagen und physiologischen Folgen der lichtinduzierten Thylakoidschwellung zu verstehen und gezielt zu testen, wie diese Schwellung durch verschiedene Komponenten des PMF moduliert wird. Diese Studie wird durch unseren neu entwickelten Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET)-Workflow ermöglicht, der es erlaubt, native Thylakoid-Architektur (Membran- und Lumenbreite) mit Sub-Nanometer-Präzision zu messen und die Organisation jedes photosynthetischen Komplexes entlang dieser Membranen zu analysieren. Zunächst wollen wir (i) eine Kinetik der Thylakoidschwellung in Grünalgen (Chlamydomonas reinhardtii) und Cyanobakterien (Synechocystis sp. 6803) charakterisieren, indem wir eine detaillierte Kryo-ET-Zeitreihe von Wildtypzellen nach dem Übergang von Dunkelheit zu verschiedenen Lichtintensitäten messen. Als nächstes wollen wir (ii) die Beiträge von Delta-pH und Delta-Psi zur Thylakoidlumenexpansion untersuchen, indem wir Kryo-ET mit kleinen Molekül-Ionophoren und genetischen Störungen von ATP-Synthase und KEA3-Ionen-Antiportern kombinieren. Parallel dazu wollen wir (iii) die spezifischen PMF-Beiträge vom Cytochrom b6f Komplex zur Dynamik des Thylakoidlumens testen. Schließlich zielen wir darauf ab, (iv) ein integriertes Modell der lichtabhängigen Lumenexpansion zu erstellen, indem wir unsere Kryo-ET-Daten mit funktionellen Messungen von PMF und photosynthetischer Funktion von anderen Mitgliedern des Konsortiums kombinieren. Der Fokus unseres Projekts liegt auf der Erfüllung des übergeordneten Ziels 3 von GoPMF, wobei unsere Arbeiten auch zu den übergeordneten Zielen 1, 2 und 4 beitragen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5573: Dynamische Regulation der protonenmotorischen Kraft in der Photosynthese
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)