Neue Erkenntnisse zur Photosynthese: Sauerstoffbildung mit nur einem Photosystem möglich
Ein Forschungsteam der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hat erstmals nachgewiesen, dass sauerstoffbildende Photosynthese auch mit lediglich einem Photosystem realisierbar ist. Diese Entdeckung stellt ein zentrales Lehrbuchprinzip der Biologie infrage und wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Hintergrund und bisheriger Stand
Seit Jahrzehnten gilt in der Biologie als gesichert, dass für die sauerstoffbildende Photosynthese zwei unterschiedliche Photosysteme notwendig sind: Photosystem II und Photosystem I. Diese beiden Proteinkomplexe arbeiten zusammen, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln, was die Grundlage für die Sauerstoffproduktion und nahezu alle Nahrungsketten auf der Erde bildet.
Paradigmenwechsel durch unerwartete Ergebnisse
Professor Dario Leister, Leiter der Studie und Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologie der Pflanzen an der LMU, betont die Tragweite der Entdeckung: „Wenn ein etabliertes Lehrbuchparadigma fällt, verändert dies unser Verständnis eines fundamentalen biologischen Prozesses.“ Die Forschung zeigt, dass die Natur flexibler ist, als bisher angenommen wurde.
Ursprung der Entdeckung
Die Forschung begann mit dem Ziel, das pflanzliche Photosystem I in das Cyanobakterium Synechocystis zu integrieren. Durch gentechnische Methoden und adaptive Labor-Evolution entstanden dabei Stämme, die vollständig ohne Photosystem I auskommen.
„Unser ursprüngliches Ziel war ein anderes“, erklärt Leister. „Dass Organismen entstehen würden, die ohne Photosystem I wachsen, Kohlendioxid fixieren und Sauerstoff produzieren können, war vollkommen unerwartet.“ Diese Cyanobakterien betreiben trotz des Fehlens von Photosystem I eine vollständige sauerstoffbildende Photosynthese und widerlegen damit die bisherige Annahme, dass Photosystem I für die Produktion des Reduktionsmittels NADPH unerlässlich sei.
Mechanismus der Kompensation
Die Forscher konnten einen alternativen Mechanismus identifizieren, der die fehlende Funktion von Photosystem I kompensiert. Durch mehrere evolutionäre Anpassungen wird der photosynthetische Elektronentransport neu organisiert. Ein verstärkter Protonengradient ermöglicht es dem NDH-1-Komplex, in umgekehrter Richtung zu arbeiten und so NADPH bereitzustellen – eine Aufgabe, die bislang ausschließlich Photosystem I zugeschrieben wurde.
Auswirkungen und Bedeutung
Diese Entdeckung hat weitreichende Konsequenzen für das Verständnis der Evolution der Photosynthese und zeigt, dass selbst gut untersuchte biologische Prozesse noch grundlegende Überraschungen bereithalten. Sie eröffnet neue Perspektiven zur Entwicklung sauerstoffbildender Photosynthese und wirft Fragen zur Entstehung und Anpassungsfähigkeit photosynthetischer Systeme auf.
Langfristig könnten die Erkenntnisse auch innovative Ansätze zur Optimierung photosynthetischer Systeme und biotechnologischer Anwendungen ermöglichen.
Kontaktinformationen
- Prof. Dr. Dario Leister
Fakultät für Biologie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Telefon: +49 89 2180 74550
E-Mail: leister@lmu.de
Originalpublikation
Ludwiczak, M., Dann, M., Figueroa-Gonzalez, T. et al. Photosystem I-independent oxygenic photosynthesis in cyanobacteria. Nature Communications 17, 6081 (2026).
https://www.nature.com/articles/s41467-026-74903-2
https://doi.org/10.1038/s41467-026-74903-2
