Bei der Photosynthese von Pflanzen und Algen spielt das Enzym Rubisco eine zentrale Rolle. Dabei handelt es sich um ein Eiweiß, das chemische Reaktionen in den Chloroplasten ermöglicht. Es sorgt dafür, dass der Kohlenstoff aus dem CO₂ in den Stoffwechsel von Pflanzen und Algen eingebaut und anschließend für das Wachstum genutzt werden kann.

Das Enzym hat allerdings Schwächen. Es arbeitet vergleichsweise langsam und kann CO₂ und Sauerstoff nicht perfekt unterscheiden. Befindet sich am Enzym zu wenig CO₂, bindet Rubisco deshalb manchmal O₂, also Sauerstoff. Um solche Fehlgriffe zu verringern, haben viele Grünalgen einen Trick entwickelt: Sie erhöhen gezielt die CO₂-Konzentration direkt um Rubisco.

Grünalgen bündeln Rubisco

Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii besitzt nur einen einzigen großen Chloroplasten. Darin befindet sich beinahe das gesamte Rubisco in einem winzigen Bereich, dem sogenannten Pyrenoid. Dieser Teilbereich ist nicht von einer eigenen Membran umschlossen. Stattdessen verbindet das Protein EPYC1 die Rubisco-Moleküle miteinander, sodass sie wie Wassermoleküle in einem Tropfen dicht beieinander und dennoch beweglich bleiben. Solche Pyrenoide kommen bei verschiedenen Algen und auch bei Hornmoosen vor, in den meisten Nutzpflanzen jedoch nicht. 

Welchen Vorteil diese einfache Zusammenlagerung bringt, wollten Forschende des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg herausfinden. Dazu bauten sie im Reagenzglas stark vereinfachte Pyrenoide aus Rubisco und EPYC1 nach. Die Ergebnisse veröffentlichten sie im Fachjournal Nature Plants.

Mehr CO₂ für Rubisco

Die Versuche zeigten, dass gebündeltes Rubisco mehr CO₂ umsetzen konnte als frei verteiltes. Überraschend war, dass das CO₂ dafür nicht aktiv in das künstliche Pyrenoid transportiert werden musste. Allein die Verbindung der Rubisco-Moleküle durch EPYC1 schuf dort eine Umgebung, in der sich CO₂ stärker anreicherte als Sauerstoff. Dadurch konnte Rubisco es schneller umsetzen. 

Auch mit Rubisco und EPYC1 aus der Grünalge ließ sich dieser Effekt beobachten: Zu Beginn setzte das gebündelte Rubisco CO₂ etwa 1,5-mal so schnell um. Über den gesamten Versuch hinweg wurde rund viermal so viel Kohlenstoff aus CO₂ gebunden. Die Forschenden betonen jedoch, dass natürliche Pyrenoide deutlich komplexer sind und zusätzliche Bestandteile ihre Funktion weiter verbessern können.

Ein alter Trick mit Potenzial

Das Team untersuchte außerdem, wie früh sich diese Fähigkeit von EPYC1 entwickelt haben könnte. Dazu verglichen die Forschenden die Gene heutiger EPYC1-Varianten und berechneten daraus, wie frühere Formen des Proteins wahrscheinlich aufgebaut waren. Fast alle rekonstruierten Varianten konnten Rubisco ebenfalls bündeln. Das deutet darauf hin, dass diese Fähigkeit bereits früh in der Evolution vorhanden war. 

Der Mechanismus könnte auch für die Entwicklung von Nutzpflanzen interessant sein. Ob er sich tatsächlich auf Nutzpflanzen übertragen lässt und dort zu stärkerem Wachstum oder höheren Erträgen führt, ist allerdings noch offen.

js