Ohne die Photosynthese gäbe es kein Leben auf der Erde. Mithilfe des Sonnenlichts können Pflanzen, Algen, aber auch einigen Bakterien Wasser und Kohlendioxid (CO₂) in Zucker und Sauerstoff umwandeln. Für diesen Prozess ist der zyklische Elektronenfluss von entscheidender Bedeutung. Er ist wesentlich für die Lichtreaktionen der Photosynthese und gewährleistet, dass Pflanzen auf veränderte Umweltbedingungen reagieren können. „Wenn er ausfällt, geht es den Pflanzen schnell sehr schlecht“, sagt Dario Leister von der Ludwig-Maximilians-Universität München.

Cyanobakterien als Modellsystem genutzt

Gemeinsam mit seinem Kollegen Marcel Dann untersuchte der Biologe, wie der Elektronentransport genau reguliert wird. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature veröffentlicht. Bereits in früheren Studien konnte der Münchner Forscher zwei wichtige Pflanzenproteine für die Photosynthese identifizieren: PGRL1 und PGR5. Da der Elektronenfluss in Pflanzen nur schwer messbar ist, nutzten die Forscher Cyanobakterien als Modellsystem. Als Vorfahren der Chloroplasten läuft in diesen Bakterien ein vergleichbarer Elektronenfluss bei der Photosynthese ab. „Das sind Systeme, die eine einfachere Photosynthese haben“, so Leister.

Proteine kurbeln Elektronenfluss an

In dieses Modellsystem schleusten die Forscher die beiden Pflanzenproteine ein und analysierten dann das Zusammenspiel. „Wir waren überrascht, als wir dort so etwas wie zyklischen Elektronentransport messen konnten“, sagt Leister. „Damit konnten wir eindeutig nachweisen, dass tatsächlich diese beiden Proteine eine Schlüsselrolle beim zyklischen Elekronentransport haben.“ Auch stellte sich heraus, dass PGRL1 und PGR5 ausreichten, um in den Bakterien den zyklischen Elektronentransport anzukurbeln. PGRL1 kommt normalerweise in Cyanobakterien nicht vor. Leister und Dann fanden so heraus, dass diese Bakterien neben PGR5 über ein weiteres Protein verfügen, dass genauso wie PGRL1 funktioniert. Die beiden Forscher gaben dem Protein den Namen SII1217.

Weitere Experimente mit lebendiges Labor geplant

Das Modellsystem der veränderten Cyanobakterien will Dario Leister nun für weitere Experimente nutzen. Sein Anspruch: „Wir versuchen, besser zu sein als die Natur, indem wir das Beste aus verschiedenen Photosynthese-Systemen kombinieren.“ Im Projekt „PhotoRedesign“, das soeben mit einem ERC-Synergy-Grant ausgezeichnet wurde, will Leister die Prozesse der Photosynthese verbessern und so das Sonnenlicht photochemisch noch besser nutzbar machen. „Unser verändertes Cyanbakterium ist wie ein lebendes Labor, in dem man zyklischen Elektronentransport sehr schnell verändern kann. In Pflanzen würden solche Versuche Jahre dauern“, erklärt der Biologe.

bb