Forschung

Untersuchungen zur Struktur und Funktion von photosynthetischen Proteinen in Eukaryoten

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit den molekularen Mechanismen der Anpassung von photosynthetischen Organismen an unterschiedliche Lichtbedingungen. Hierbei stehen Diatomeen (Kieselalgen, Prof. C. Büchel) und Samenpflanzen (Dr. L. Dietzel) im Fokus.

Einige der von uns verwendeten DiatomeenCyclotella meneghiniana(a-d) und Phaeodactylum tricornutum (e und f), im REM Bild (a und b), im Lichtmikroskop (c und e) und im TEM (d und f). Die Balken repräsentieren 1 µm in (a), (b), (d) und (f) bzw. 2 µm in (c) und (e).

 

Regulation der Lichtsammlung bei Diatomeen

Diatomeen sind einzellige, eukaryotische Algen, die aus zwei Gründen interessant sind: sie sind für ca. 25% der weltweiten Primärproduktion verantwortlich und stellen eine dauerhafte Kohlenstoffsenke im Bereich der Ozeane dar. Schwerpunkt sind Fragen zur Regulation der sogenannten Lichtreaktionen der Photosynthese, vor allem zu dem effizienten und schnellen Umschalten von Lichtsammlung zu Lichtschutz. Letzteres ist für aquatische Organismen ohne eigene Fortbewegungsmöglichkeit extrem wichtig, und ein entscheidender Faktor für ihr großes Vorkommen z.B. im marinen Plankton. Diatomeen sind genetisch manipulierbar, so dass molekularbiologische Methoden zur Überexpression von getaggten Proteinen oder das Ausschalten der Expression eines bestimmten Gens (RNAi oder Antisense) von uns genutzt werden. Daneben werden allgemein biochemische und spektroskopische Methoden verwendet, um die der Funktion zu Grunde liegende Struktur und die Zusammenarbeit der beteiligten Membranproteine aufzuklären. Zur Visualisierung der Struktur der Proteine dient auch die Elektronenmikroskopie.

Die Pigmente der Diatomeen: Absorptionspektren der Pigmente (1 mM in Aceton, a) und  eines Lichtsammelproteinkomplexes (FCPa aus C. meneghiniana, b)


Durch die erwähnten Untersuchungen ist es uns im Laufe der letzten Jahre gelungen, die Vielfalt der Lichtantennenproteine in den verschiedenen Gruppen der Diatomeen zu analysieren und deren Funktion in Lichtsammlung oder Lichtschutz zu beleuchten. Im Rahmen von Kooperationen konnten zudem Fragen des Energietransfers zwischen den Pigmenten und die Beteiligung eines Carotinoids am Lichtschutz weiter aufgeklärt werden (siehe ‚Publikationen‘).

Die Struktur der Lichtsammelkomplexe. Die Proteine sind membranintrinsisch mit 3 membranspannenden Helices (schematisch in a) und lagern sich zu verschiedenen Oligomeren zusammen, wobei Unterschiede zwischen den einzelnen Diatomeengruppen bestehen (b und d), während die Anordnung um Photosystem I herum ähnlich zu sein scheint (c).

 

Model der Pigmentanordnung in FCPa und FCPb aus C. meneghiniana (verändert nach Premvardhan et al., 2010) im Monomer (Seitenansicht, a) oder Trimer (Aufsicht, b). Grün ist Chl a dargestellt, braun Chl c, schwarz und grau sind Chl a Moleküle eingezeichnet, die in FCPb vorhanden sind, aber in FCPa fehlen.Die Fucoxanthinmoleküle zeigen je nach Proteinbindung eine kürzerwellige (blau) oder längerwellige Absorption (rot, siehe auch das Absorptionsspektrum)


Die Rolle von Photorezeptoren in der Lichtregulation von Diatomeen

Licht wird nicht nur zur Photosynthese genutzt, sondern wird auch über Rezeptoren zur Steuerung der Genexpression verwendet. Diatomeen besitzen Gene für verschiedene Cryptochrome, Proteine deren Funktion die DNA Reparatur oder besagte Rezeptorfunktion beinhaltet. Für eines dieser Proteine, CryP, konnten wir eine Beteiligung an der Regulation der verschiedenen Lichtantennenproteine zeigen.

Diatomeen in der Biotechnologie

Diatomeen sind zudem auf Grund ihrer hohen Lipidproduktion und der Anreicherung an mehrfach ungesättigten Fettsäuren biotechnologisch interessant. Ein weiteres Projekt beschäftigt sich daher mit gentechnologischen Methoden zur Erhöhung der Triacylglycerid (Fett) Produktion (Patentanmeldung10 2011113 283.3).

Eingebunden sind diese Projekte eine Forschergruppe der DFG (Specific light driven reactions in unicellular model algae, FOR 1261, http://www.uni-jena.de/en/DFG_Research__Group_1261.html) und in ein Marie Curie Training and Research Network der EU, “Solar Energy to Biomass – Optimisation of light energy conversion in plants and microalgae- SE2B“ (http://www.uni-frankfurt.de/se2b), welches von uns koordiniert wird . Zudem bestehen enge Kooperationen innerhalb (Prof. Wachtveitl, FB14, Prof. Sandmann und Prof. Bode, FB15) und außerhalb der Universität (im Rahmen der genannten Kooperationsprojekte).