Evolutionäre Nachverfolgung der Photoprotektion durch Rekonstruktion von Vorfahren: Entstehung von Photoswitching und Energiedissipation durch das Orange-Carotinoid-Protein.

• Antragsteller: Dr. Marcus Moldenhauer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560711813

Cyanobakterien bilden einen großen Stamm von Bakterien, die verschiedene Strategien entwickelt haben, um Sonnenlicht durch Photosynthese zu nutzen und sich gleichzeitig vor möglichen Schäden durch zu hohe Lichtintensitäten zu schützen. Ein zentrales Element der photoprotektiven Mechanismen ist die Produktion des Orange Carotenoid Proteins (OCP). Dieses Protein durchläuft bei Bestrahlung mit intensivem Sonnenlicht eine Umwandlung von einem inaktiven, orangefarbenen Zustand (OCPO) zu einem aktiven, roten Zustand (OCPR), wobei das Protein an den Phycobilisomen, die lichtsammelnden Antennenkomplexe der Cyanobakterien, bindet und überschüssige Energie als Wärme abgibt. Dieser Prozess wird als Nicht-photochemisches Quenching (NPQ) bezeichnet und ist entscheidend für die Balance der Lichtaufnahme und dem Schutz vor Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die durch überschüssige Energie entstehen können. Obwohl die Forschung in den letzten Jahren das Verständnis des OCP-Photozyklus erheblich verbessert hat, bleibt die Rolle spezifischer Aminosäuren bei der Aktivierung durch Licht bzw. Relaxation des angeregten Zustands weiterhin ungeklärt. Die beantragte Forschung zielt darauf ab, diese Wissenslücken zu schließen, indem sie Erkenntnisse aus OCP-Vorfahren nutzt, um die funktionellen Beiträge bestimmter Aminosäuren zu untersuchen. Dazu werden Vorarbeiten mit bereits beschriebenen OCP-Vorfahren für diese Studien herangezogen und bilden somit die Grundlage für die beantragte Forschungsidee. Diese beinhaltet die Erstellung chimärer Proteine, die Abschnitte von sowohl extanten als auch von OCP-Vorfahren kombinieren, um die Rolle spezifischer Segmente im Photozyklus zu entschlüsseln. Dazu werden verschiedene spektroskopische Methoden wie zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie herangezogen. Eine weitere zentrale, aber noch unbeantwortete Frage betrifft die genauen Bindungsstellen zwischen OCP und Phycobilisomen für das Quenching der Phycobilisom-Fluoreszenz – eine Funktion, die im ältesten OCP-Vorfahren fehlt. Die beantragte Forschung zielt darauf, diese evolutionären Anpassungen zu untersuchen und unser Verständnis der OCP-Regulationsmechanismen und des photoprotektiven Systems von Cyanobakterien zu vertiefen. Ein Vorteil dieser Strategie liegt in der Rekonstruktion von OCP-Vorfahren, die trotz geringer Sequenzvariationen signifikante Unterschiede in den Relaxationszeitkonstanten zeigen. Dadurch ist die Identifikation spezifischer Aminosäuren wesentlich erleichtert, die für das unterschiedliche Schaltverhalten der OCP-Varianten verantwortlich sind. Dieser Ansatz verspricht ein tieferes Verständnis der funktionellen Evolution des OCPs und seiner Rolle im nicht-photochemischen Quenching von Cyanobakterien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Georg Hochberg