Der flüssige Kern der Photosynthese: Neue Einblicke in die CO2-Fixierung
Grünalgen steigern die Effizienz der CO2-Fixierung durch das Pyrenoid, ein flüssiges Organell im Chloroplasten, das CO2 in unmittelbarer Nähe des Photosynthese-Enzyms Rubisco konzentriert. Forschende des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie sowie der Universität Marburg haben das Pyrenoid auf seine elementarste Form reduziert und dessen Evolution durch die Rekonstruktion antiker Proteine untersucht. Diese Ergebnisse liefern wichtige Grundlagen für die Optimierung der Photosynthese in Nutzpflanzen.
Zusammenfassung der Erkenntnisse
- Das Pyrenoid ist ein konzentrierter Tropfen im Chloroplasten von Grünalgen, der über das Protein EPYC1 die lokale CO2-Konzentration erhöht und dadurch die Aktivität von Rubisco verbessert.
- Die Rekonstruktion uralter EPYC1-Varianten zeigt, dass die Fähigkeit zur Bildung von Pyrenoid-Kondensaten ein evolutionär konserviertes Merkmal ist.
- Die Kondensate verändern Rubisco nicht direkt, sondern schaffen eine Umgebung, in der CO2 durch Phasentrennung angereichert wird.
- Die Entwicklung minimaler Pyrenoide bietet Potenzial zur Steigerung der Photosyntheseleistung in Nutzpflanzen, was Ernährungssicherheit und Klimaschutz unterstützen kann.
Bedeutung des Pyrenoids für die Photosynthese
Rubisco ist das weltweit wichtigste Enzym zur CO2-Fixierung, arbeitet jedoch vergleichsweise langsam und bindet häufig Sauerstoff statt CO2, was zu ineffizienter Photorespiration führt. Grünalgen, die in CO2-armen wässrigen Umgebungen leben, nutzen deshalb Pyrenoide – membranlose Organellen, die Rubisco durch das Linker-Protein EPYC1 mittels Phasentrennung in einem Tropfen konzentrieren. Dies erhöht die lokale CO2-Konzentration, verbessert die CO2-Fixierung und reduziert die Photorespiration.
Untersuchung der Funktion von EPYC1
Es wurde erforscht, ob EPYC1 allein die Kohlenstoffkonzentration bewirkt und ob es die Rubisco-Aktivität direkt beeinflusst oder ob die Effizienzsteigerung ausschließlich durch die erhöhte Substratkonzentration zustande kommt. Dr. Andreas Küffner, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften, analysierte diese Fragestellungen während seiner Postdoc-Zeit im Team von Prof. Dr. Tobias Erb in Marburg. Aufgrund der Komplexität moderner Pyrenoide mit zahlreichen Komponenten war eine isolierte Untersuchung der EPYC1-Funktion bislang schwierig.
„Die Rekonstruktion eines minimalen synthetischen Pyrenoids ermöglicht es, die essenziellen Komponenten zu identifizieren und die evolutionären Entwicklungen nachzuvollziehen“, erläutert Tobias Erb. Andreas Küffner ergänzt: „Dies hilft, die biologische Funktion grundlegend zu verstehen.“
Evolutionäre Rekonstruktion und Funktionsanalyse
Gemeinsam mit Prof. Dr. Georg Hochberg von der Universität Marburg rekonstruierte das Forschungsteam die Gensequenzen der Vorfahren des heutigen EPYC1-Proteins (ancestrale Sequenzrekonstruktion). Die Analyse der frühesten Proteinformen im Labor zeigte, dass nahezu alle rekonstruierten EPYC1-Varianten Kondensate bilden konnten, was auf ein uraltes, erhaltenes Merkmal hinweist.
Strukturanalysen mittels Kryo-Elektronenmikroskopie bestätigten, dass Rubisco innerhalb der Kondensate seine native Struktur und das aktive Zentrum beibehält. Die Kondensate verändern Rubisco folglich nicht, sondern schaffen eine Umgebung, in der CO2 durch physikalische Phasentrennung im Vergleich zu Sauerstoff angereichert wird. Diese Erkenntnisse wurden durch kinetische und biophysikalische Experimente untermauert.
Perspektiven für die Anwendung in der Synthetischen Biologie
Die Erkenntnis, dass EPYC1 seine Funktion zur CO2-Konzentration ausschließlich durch Phasentrennung erfüllt, eröffnet neue Wege für die Entwicklung synthetischer Pyrenoide. Im Vergleich zu komplexen Pyrenoid-Rekonstruktionen stellt die Nutzung einfacher phasentrennender Proteine eine weniger aufwendige Strategie dar. Das Verständnis der minimalen CO2-Konzentratoren der Natur kann dazu beitragen, die Photosynthese in Nutzpflanzen effizienter zu gestalten und somit einen Beitrag zu Ernährungssicherheit und Klimaschutz zu leisten.
Wissenschaftliche Ansprechpartner
Prof. Dr. Tobias Erb
Direktor
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg
Telefon: +49 6421 178-700
E-Mail: toerb@…
Dr. Andreas Küffner
Forschungsgruppenleiter
Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften, Göttingen
Telefon: +49 551 201-1850
E-Mail: andreas.kueffner@…
Originalpublikation
Küffner, A.M.; Erb, T.J.
Mechanistic insights into CO2-concentrating mechanisms using a synthetic minimal pyrenoid
Nature Plants 12, 1430–1431 (2026)
DOI
