Forschende der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) um Professor Dario Leister haben erstmals nachgewiesen, dass sauerstoffbildende Photosynthese auch mit nur einem einzigen Photosystem möglich ist. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht und stellen eines der grundlegenden Paradigmen der Biologie infrage.
Bislang galt als gesichert, dass für die sauerstoffbildende Photosynthese das Zusammenspiel zweier Proteinkomplexe – Photosystem II und Photosystem I – zwingend erforderlich ist. Dieses Prinzip gehört seit mehr als 50 Jahren zum biologischen Grundwissen. Die neuen Forschungsergebnisse zeigen nun, dass diese Annahme offenbar nicht universell gilt.
„Wenn ein Lehrbuchparadigma fällt, betrifft das nicht nur ein Detail unseres Wissens - es verändert unseren Blick auf einen fundamentalen biologischen Prozess“, sagt Professor Dario Leister, Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologie der Pflanzen an der LMU und Leiter der Studie. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Natur deutlich flexibler ist, als wir bislang angenommen haben.“
Ausgangspunkt der Forschung war eigentlich ein anderes Ziel: Das Team wollte ein pflanzliches Photosystem I in das Cyanobakterium Synechocystis einbauen. Mithilfe gentechnischer Methoden und adaptiver Labor-Evolution entstanden dabei Organismen, denen Photosystem I vollständig fehlt.
„Eigentlich wollten wir etwas völlig anderes erreichen“, sagt Leister. „Dass daraus Organismen entstehen würden, die ohne Photosystem I wachsen, Kohlendioxid fixieren und Sauerstoff produzieren können, war vollkommen unerwartet.“
Das Forschungsteam identifizierte außerdem den Mechanismus, mit dem die Cyanobakterien das fehlende Photosystem kompensieren. Mehrere evolutionäre Anpassungen organisieren den photosynthetischen Elektronentransport neu. Ein besonders starker Protonengradient ermöglicht es dem NDH-1-Komplex, das Reduktionsmittel NADPH bereitzustellen – eine Funktion, die bislang ausschließlich Photosystem I zugeschrieben wurde.
Die Entdeckung eröffnet neue Perspektiven auf die Evolution der Photosynthese und könnte langfristig neue Ansätze für die Entwicklung effizienterer photosynthetischer Systeme und biotechnologischer Anwendungen ermöglichen.