Ludwig-Maximilians-Universität München
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Photosynthese

Neue Proteinfamilie macht Membranen biegsam

München, 10.07.2013

Photosynthese findet in speziellen Zellmembranen statt, die gefaltet und übereinander gestapelt werden. LMU-Wissenschaftler konnten nun zeigen, wer die dafür nötige Membrankrümmung ermöglicht.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Chloroplasten von Mais (Zea mays) mit den Thylakoiden (grün) und Assimilations-Stärkekörnern (grau). Kryobruch, coloriert.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Chloroplasten von Mais (Zea mays) mit den Thylakoiden (grün) und Assimilations-Stärkekörnern (grau). Kryobruch, coloriert. (Aufnahme: G. Wanner / LMU)

Die Photosynthese ist die Grundlage allen Lebens auf der Erde, weil sie mithilfe von Sonnenlicht Sauerstoff und energiereiche Verbindungen produziert, die andere Organismen benötigen. Die Energie für diesen Prozess stammt aus dem Sonnenlicht. Aufgefangen und in einer Lichtreaktion umgesetzt wird das Sonnenlicht in speziellen Membransystemen, den Thylakoiden. Die Thylakoide grüner Landpflanzen befinden sich in abgegrenzten Zellorganellen, den Chloroplasten, und bilden einen eigenen abgegrenzten Reaktionsraum.

Die Thylakoide werden an vielen Stellen in 5-20 Schichten ähnlich wie ein Holzstapel übereinander gelagert, wobei alle Thylakoide innerhalb eines Chloroplasten miteinander verbunden sind und ein durchgehendes Netzwerk darstellen – am Stapelrand muss die Membran also stark ‘um die Kurve‘ gebogen werden, um die Verbindung mit dem Nachbarn aufrecht zu erhalten. „Wie diese Thylakoid-Stapel gebildet werden und welche Mechanismen dafür sorgen, dass die nötige Membrankrümmung dafür zustande kommt, war bisher vollkommen unklar“, sagt der LMU-Biologe Professor Dario Leister.

Mit CURT1 um die Kurve

Mit seinem Team hat Leister nun eine neue Proteinfamilie entdeckt, deren Mitglieder spontan Membranen biegen können: Die sogenannten CURT1-Proteine (für Curvature Thylakoids). „Ohne CURT1 Proteine gibt es keine Stapel“, sagt Leister, der in der Modellpflanze Arabidopsis nachweisen konnte, dass die Konzentration von CURT1 direkt mit der Anzahl der gestapelten Thylakoide korreliert. Dabei kommt CURT1 vor allem am Stapelrand vor – also dort, wo eine maximale Krümmung nötig ist. Außerdem konnten die Wissenschaftler zeigen, dass CURT1-Proteine sich auch in vitro – d.h. außerhalb lebender Zellen – spontan zu größeren Einheiten zusammenschließen und Membranen biegen können. „Wahrscheinlich spielt die Aggregation mehrerer CURT1-Proteine auch für die Entstehung der Thylakoidstapel im Chloroplasten eine wichtige Rolle“, erklärt Leister.

Langfristig könnte dieser Fund helfen, die Photosynthese zu verbessern: Die gestapelten Thylakoidschichten enthalten besonders viele Lichtsammelkomplexe und Photosystem II Komplexe und sind daher in vieler Hinsicht effizienter als einzelne Membraneinstülpungen. CURT1 könnte daher ein Ansatzpunkt sein, eine stärkere Stapelung zu erzielen und so die Effizienz der Photosynthese zu steigern – etwa für die Ertragsverbesserung von Kulturpflanzen. In Zusammenarbeit mit der Edmund Fach Foundation (Italien) und der Universität Trento (Italien) haben die Wissenschaftler dazu ein Patent eingereicht.

Die Arbeiten wurden von der DFG im Rahmen des SFB-TR 1 „Endosymbiose: Vom Prokaryoten zum eukaryotischen Organell“ gefördert.
(Plant Cell 2013)         göd

 

 

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