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) im Fokus.

Einige der von uns verwendeten Diatomeen, Cyclotella 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 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 Herunterfahren/Ausschalten der Expression eines bestimmten Gens (via RNAi oder CRISPR-Cas) von uns genutzt werden. Daneben werden allgemeine 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.

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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, die Zuordnung zu den Photosystemen zu klären und ihre 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), die sich zu verschiedenen Oligomeren zusammenlagern. (b) zeigt die Pigmentanordnung von Chl a (grün), Chl c (blaugrün), Fucoxanthin (gelb) und Diadinoxanthin (nicht gezeigt) im Trimer (Aufsicht, verändert nach Gelzinis et al. 2020). Die gepunkteten Linien begrenzen ein Monomer.

Organisation der Lichtsammelprotein

aus T. pseudonana und C. meneghiniana (verändert nach Arshad et al., 2021) im Photosystem I (a), Photosystem II (b) und in den freien FCP-Komplexen FCPa und FCPb, (c). Unterschiedliche Farben stehen für FCPs aus unterschiedlichen Familien.


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. In Diatomeen wurde von uns zum ersten Mal ein sogenanntes plant-like cryptochrome, CryP, entdeckt. Diese Gruppe von Cryptochromen wurde im Folgenden in vielen phylogenetischen Gruppen gefunden. CryP hat eine vielfältige Funktion in der Genregulation und aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit der Aufklärung des Signaltransduktionsweges.


Eigenschaften von CryP. Der Redoxzustand des gebundenen FADs hängt von der Anwesenheit der C-terminalen Extension (CTE) ab (a). Als Dimer kann CryP zwei Proteine binden (b), ein Protein spezifisch für Diatomeen und einen Transkriptionsfaktor (BolA) (verändert nach Krischer et al. 2022).


Diatomeen in der Biotechnologie

Diatomeen sind zudem auf Grund ihrer hohen Lipidproduktion und der Anreicherung an mehrfach ungesättigten Fettsäuren biotechnologisch interessant. Weitere Projekte beschäftigten sich daher mit gentechnologischen Methoden zur Erhöhung der Triacylglyceridprodution bzw. der Produktion von 3-Omega-Fettsäuren.

Diese Projekte erfolgten innerhalb einer Forschergruppe der DFG (Specific light driven reactions in unicellular model algae, FOR 1261) und einem 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 wurde. Zudem bestehen enge Kooperationen innerhalb und außerhalb der Universität (im Rahmen der genannten Kooperationsprojekte.

Kontakt

Pflanzliche Zellphysiologie

Prof. Dr. Claudia Büchel

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