Stressschutz: Wie Blaualgen Energie hamstern

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Nummer 238 - Bochum, 31.07.2011

Stressschutz: Wie Blaualgen Energie hamstern

RUB-Forscher entschlüsseln molekulare Grundlagen

Das Energiepolster von Zellen für die Biotechnologie nutzen

Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, legen unter normalen Bedingungen ein Energiepolster an, das es ihnen erlaubt, unter Stress wie langer Dunkelheit zu überleben. Verantwortlich dafür ist ein molekularer Schalter in einem Enzym. Entfernt man diesen Schalter, sollte man die überschüssige Energie der Bakterien für biotechnologische Zwecke wie z.B. die Wasserstoffproduktion nutzen können, ohne dass es ihnen dadurch schlechter geht. Das haben Forscher der Ruhr-Universität um Prof. Dr. Matthias Rögner (Biochemie der Pflanzen, Fakultät für Biologie & Biotechnologie) herausgefunden. Ihre Ergebnisse, die sie zusammen mit einer japanischen Arbeitsgruppe vom Tokyo Institute of Technology gewonnen haben, sind im Journal of Biological Chemistry veröffentlicht.

Molekularer Schalter verhindert Energieverschwendung

Als Speicher für die mittels Photosynthese gewonnene Energie in Pflanzen dient das energiereiche Molekül ATP. Auf- und bei Bedarf auch wieder abgebaut wird es vom Enzym ATPase. Um das Bakterium gegen Stresssituationen mit zu viel oder zu wenig Licht zu wappnen, verfügt die ATPase der Cyanobakterien über einen kleinen Bereich, der wie ein Schalter wirkt. Er verhindert, dass das ATP bei Dunkelheit, wenn keine Photosynthese läuft, vorschnell wieder abgebaut wird. Das Bakterium legt so einen Vorrat an Energie an, der ihm über Stressphasen hinweg hilft. Allerdings verlangsamt dieser Schalter auch die Geschwindigkeit des photosynthetischen Elektronentransports mit der Wasserspaltung im Licht: „Man muss sich das so vorstellen, als würde man gegen einen Widerstand etwas in einen vollen Speicher pressen wollen“, verdeutlicht Prof. Rögner.

Auf dem Weg zum biotechnologischen Wasserstoff

Er und seine Kollegen haben im Experiment den Schalter-Bereich der ATPase bei Cyanobakterien gentechnisch entfernt. „Wir haben natürlich erwartet, dass es den Bakterien danach viel schlechter gehen würde und dass sie viel langsamer wachsen würden“, erklärt er. „Aber das traf nicht zu.“ Die Bakterien wuchsen unter Laborbedingungen – also ohne Lichtstress – ganz wie gewöhnlich. Allerdings legen sie einen geringeren ATP-Energiespeicher an, weswegen sie sehr lange Dunkelphasen schlechter überleben als der Wildtyp. Andererseits steht nun prinzipiell die überschüssige Energie im Licht, die sonst in den Speicher wandert, zur biotechnologischen Nutzung zur Verfügung. „Dies sollte es ermöglichen, zukünftig mindestens 50% der aus der lichtgetriebenen Wasserspaltung gewonnenen Energie für andere Prozesse zu verwenden, z.B. für eine solargetriebene biologische Wasserstoffproduktion durch cyanobakterielle Massenkulturen in Photobioreaktoren“, schätzt Prof. Rögner.

Titelaufnahme

Imashimizu, M., Bernát, G., Isato, K., Broekmans, M., Konno, H., Sunamura, E.-I., Rögner, M., Hisabori, T. (2011) Regulation of F0F1-ATPase from Synechocystis sp. PCC 6803 by the Gamma and Epsilon subunits is significant for light/dark adaptation, J. Biol. Chem. 286, 26595-26602, doi: 10.1074/jbc.M111.234138

Redaktion

Meike Drießen
Pressestelle RUB

Weitere Informationen

Prof. Dr. Matthias Rögner, Lehrstuhl für Biochemie der Pflanzen, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-23634
matthias.roegner@rub.de

 

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In der Wildtypzelle (links) wird die durch Photosynthese erzeugte Energie zur Herstellung von ATP verwendet. In der gentechnisch veränderten Zelle (rechts) kann ein beachtlicher Teil der Energie in Form von Protonen (H+) ohne ATP-Erzeugung die Membran durchqueren. Infolge dieser "Undichtigkeit" der ATPase können bestimmte Photosyntheseprozesse mindestens doppelt so schnell ablaufen. Die zusätzlich gewonnenen Elektronen könnten biotechnologisch nutzbar gemacht werden (siehe Fragezeichen), z.B. durch Einführung eines Enzyms, welches Wasserstoff erzeugt (Hydrogenase).

© AG Rögner
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