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Neuer molekularer Bauplan fördert unser Verständnis von Photosynthese

Aufklärung über den Prozess, bei dem Pflanzen Kohlendioxid in Zucker umwandeln

19.02.2019

Thomas Laughlin/UC Berkeley and Berkeley Lab

The cryo-EM structure of the NAD(P)H dehydrogenase-like complex (NDH). The atomic coordinate model shown as spheres, colored according to the different subunits, in front of an electron micrograph of frozen NDH particles in the background.

Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Department of Energy haben mit einem der fortschrittlichsten Mikroskope der Welt die Struktur eines großen Proteinkomplexes enthüllt, der für die Photosynthese entscheidend ist, den Prozess, mit dem Pflanzen Sonnenlicht in Zellenergie umwandeln.

Die Ergebnisse werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, zum ersten Mal zu erforschen, wie der Komplex funktioniert und welche Auswirkungen er auf die Produktion einer Vielzahl von Bioprodukten haben könnte, einschließlich Kunststoffalternativen und Biokraftstoffen.

"Diese Arbeit wird zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise der Photosynthese führen, was es uns ermöglichen könnte, die Effizienz der Photosynthese in Pflanzen und anderen grünen Organismen zu verbessern - potenziell die Menge an Nahrung und damit an Biomasse, die sie produzieren, zu erhöhen", sagte die leitende Forscherin Karen Davies, Biophysikerin im Berkeley Lab. "Dies ist besonders wichtig, wenn Sie nachwachsende Bioprodukte herstellen wollen, die eine kostengünstige Alternative zu den derzeitigen erdölbasierten Produkten darstellen."

Der vor Jahrzehnten entdeckte Proteinkomplex, der von den Forschern als NADH-Dehydrogenase-ähnlicher Komplex (NDH) bezeichnet wird, soll dazu beitragen, die Phase der Photosynthese zu regulieren, in der die Energie des Sonnenlichts eingefangen und in zwei Arten von zellulären Energiemolekülen gespeichert wird, die später zur Umwandlung von Kohlendioxid in Zucker genutzt werden. Frühere Untersuchungen ergaben, dass NDH die energetisierten Elektronen, die sich zwischen anderen Proteinkomplexen im Chloroplasten bewegen, so ummischt, dass das richtige Verhältnis jedes Energiemoleküls erzeugt wird. Darüber hinaus erfüllt die NDH von Cyanobakterien mehrere zusätzliche Aufgaben, darunter die Erhöhung der für die Zuckerproduktion verfügbaren Kohlendioxidmenge (CO2) durch die Verknüpfung der CO2-Aufnahme mit dem Elektronentransfer.

Damit die Wissenschaftler wirklich verstehen können, wie NDH diese wichtigen Funktionen ausführt, brauchten sie einen molekularen Plan, der die Position und Konnektivität aller Atome im Komplex angibt. Das ist etwas, was selbst die hochleistungsfähige Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Technologie bis vor kurzem einfach nicht bieten konnte.

"Die Forschung an diesem Enzym war schwierig und die experimentellen Ergebnisse verwirrend in den letzten 20 Jahren oder so, weil uns vollständige Informationen über die Struktur des Enzyms fehlten", sagte Davies. "Die Kenntnis der Struktur ist wichtig, um Hypothesen darüber zu erstellen und zu testen, wie das Enzym funktioniert. Die Auflösung, die wir für unsere Struktur des NDH erreicht haben, ist erst seit der Kommerzialisierung der direkten Elektronenzählkamera, die in Zusammenarbeit mit Berkeley Lab entwickelt wurde, wirklich erreichbar."

Vor dieser Erfindung erklärte Davies, ein Mitarbeiter der Berkeley Lab's Molecular Biophysics and Integrative Bioimaging Division (MBIB), dass die Bestimmung der Struktur eines einzelnen Moleküls mehrere Jahre dauern könnte, da die Kryo-TEM-Bildgebung auf Film basiert, was bedeutet, dass jede Exposition entwickelt und gescannt werden musste, bevor sie analysiert werden konnte. Die größte Einschränkung bestand jedoch darin, dass die meisten Bilder verschwommen ausfielen. Wenn Sie einen Elektronenstrahl auf ein Molekül richten, regen die geladenen, hochenergetischen Partikel die Atome im Molekül an und lassen sie sich oft im Moment der Bestrahlung bewegen. Das bedeutete, dass die Forscher Hunderte, wenn nicht gar Tausende von Filmbildern aufnehmen und verarbeiten mussten, um einen genauen Blick auf ein ganzes Molekül zu werfen.

Die neue Elektronenzählkamera löst dieses Problem, indem sie digitale Filme mit einer extrem hohen Bildrate aufnimmt, so dass einzelne Bilder ausgerichtet werden können, um Unschärfen durch strahlinduzierte Partikelbewegungen zu vermeiden.

In der aktuellen Studie isolierte der Erstautor Thomas Laughlin, ein Doktorand der UC Berkeley mit einer gemeinsamen Ernennung am MBIB, NDH-Komplexe aus Membranen eines photosynthetischen Cyanobakteriums, das vom Junko Yano und Vittal Yachandra Lab in MBIB bereitgestellt wurde, und bildete sie mit einem hochmodernen Kryo-TEM-Instrument mit dem neuesten Direktelektronendetektor ab. Die auf dem Campus der UC Berkeley gelegene Kryo-TEM-Anlage wird vom Bay Area CryoEM-Konsortium verwaltet, das teilweise vom Berkeley Lab finanziert wird.

Die resultierende Atomdichtekarte wurde dann verwendet, um ein Modell von NDH zu erstellen, das die Anordnung aller Protein-Untereinheiten von NDH und die wahrscheinlichste Position aller Atome im Komplex zeigt. Durch die Untersuchung dieses Modells wird Davies' Team in der Lage sein, Hypothesen zu formulieren und dann zu testen, wie NDH die Zuckerproduktion erleichtert, indem es das Verhältnis der beiden zellulären Energiemoleküle ausgleicht.

"Während die Struktur von NDH allein sicherlich viele Fragen aufwirft, denke ich, dass sie noch einige weitere aufgeworfen hat, die wir vorher nicht einmal in Betracht gezogen hätten", sagte Laughlin.

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