Das Verständnis der bakteriellen Photosynthese könnte helfen, leistungsfähigere Ackerpflanzen zu züchten. Denn durch einen Trick gelingt es Cyanobakterien, das Sonnenlicht besonders effizient zu nutzen. Einen wichtigen Teil von diesem Mechanismus haben Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI) für Biochemie in Martinsried gemeinsam mit Kollegen der Australian National University jetzt enträtselt, wie sie im Fachjournal „Nature“ berichten.

Weniger Nebenreaktionen durch hohe CO₂-Konzentration

Bei der Photosynthese wandeln Zellen Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO₂) mit Hilfe von Sonnenlicht in Zucker und Sauerstoff um. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Enzym Rubisco. Es bindet CO₂ aus der Atmosphäre und macht das Gas für Reaktionen in der Zelle zugänglich. Allerdings kann Rubisco auch mit Sauerstoff reagieren, anstatt CO₂ zu binden. In diesem Fall trägt das Enzym nicht zum Energiegewinn der Zelle bei. Cyanobakterien, die ebenso wie Pflanzen die Photosynthese beherrschen, bündeln ihr Rubisco in bestimmten Strukturen namens Carboxysomen. Dort herrscht eine besonders hohe CO₂-Konzentration, weshalb die Rubisco-Enzyme nur wenige Nebenreaktionen mit Sauerstoff eingehen.

Kryo-Elektronenmikroskopie deckt Mechanismus auf

Bislang wussten Forscher zwar, dass das Protein CcmM die Rubisco-Enzyme bündelt, nicht aber, wie es das anstellt. „Wir haben in dieser Studie die Vorteile der sich rasant entwickelnden Kryo-Elektronenmikroskopie genutzt, um diese dynamischen Interaktionen zu erfassen”, erläutert Max-Planck-Forscher Huping Wang und einer der Erstautoren der Studie. So konnten die Biochemiker einen unerwarteten Mechanismus dokumentieren, mit dem dies geschieht. Dadurch trennt sich das Rubisco von anderen Proteinen und erzeugt mit den CcmM-Proteinen eine eigene Phase. Um diese Phase herum formt sich eine Proteinhülle und bildet so das Carboxysom.

Anwendung in der Pflanzenzüchtung?

„Wenn wir funktionierende Carboxysome auf höhere Pflanzen übertragen könnten, würde das die Nutzpflanzen zusätzlich anregen, CO₂ noch effizienter zu fixieren“, erläutert die Max-Planck-Forscherin Manajit Hayer-Hartl das Potenzial der Entdeckung. „Dann würde die Energie, die normalerweise in der Reaktion von Rubisco mit Sauerstoff verlorengeht, für die Erzeugung von Biomasse zur Verfügung stehen.“ So erzeugte Nutzpflanzen könnten eines Tages den Einsatz von Kunstdüngern reduzieren und die weltweite Nahrungsversorgung verbessern.

bl