Neue Ansätze aus dem Fachbereich synthetische Biologie optimieren Gewinnung von Sonnenenergie durch Bakterien
Pflanzen, Algen und Bakterien nehmen Lichtenergie der Sonne auf und wandeln diese mittels Photosynthese in chemische Energie um. Genannte phototrophe Organismen machen Sonnenlicht nutzbar. Dies geschieht mittels Millionen photosynthetischer Pigmente, wie Chlorophyll und Bakteriochlorophyll, die in jeder photosynthetischen Zelle enthalten sind. Um Lichtenergie absorbieren zu können und es dorthin zu schicken, wo die Reaktionen der Photosynthese ablaufen, wozu Energie benötigt wird, müssen diese Pigmente auf der Hauptkette besonderer Proteine sitzen. Das EU-finanzierte Projekt SYNTHPHOTO konnte weitere Einsichten zu diesem Bindemechanismus gewinnen, zu dem noch sehr wenig bekannt ist. „Wir möchten verstehen, wie Pigment-Protein-Komplexe entstehen und wie sie einen Prozess in Gang setzen, der letztendlich zur Produktion von Adenosintriphosphat führt, einem komplexen organischen chemischen Erzeugnis, das Energie für tausende chemischer Reaktionen zur Verfügung stellt, dank der Zellen wachsen und sich teilen können. Diese Lichtsammelkomplexe liefern nicht nur Energie für das Leben, sondern hüten auch das Geheimnis, wie Elemente zu gestalten sind, die uns eines Tages mit wirklich sauberer, unbegrenzter Energie aus Sonnenlicht versorgen könnten“, bemerkt Prof. Neil Hunter, Koordinator von SYNTHPHOTO. Untersuchung der Biosynthese von Chlorophyll Wissenschaftler des Hunter-Labors haben viele der Gene des Biosynthesewegs für das Chlorophyll von Rhodobacter sphaeroides, einem Purpurbakterium, das Photosynthese betreibt, sowie des Cyanobakteriums Synechocystis geklont und sequenziert. Ihnen gelang die Herstellung einer Vielzahl dieser Gene in einer aktiven Form in Escherichia coli. Mit dem Fokus auf der Enzymologie dieses Syntheseweges ermittelte das Team, welche Enzymreaktionen dem ersten und dritten bei der Biosynthese von Chlorophyll ausgeführten Schritt zugrunde liegen sowie die Identität des Enzyms, das den Pflanzen die grüne Farbe verleiht, die auf der Erde derart dominant ist, dass sie sogar aus dem Weltraum zu sehen ist. Hier ist es wichtig, zu erwähnen, dass dies das erste Mal ist, dass Wissenschaftler den Biosyntheseweg von Chlorophyll in einem Organismus, der keine Photosynthese betreibt, erfolgreich rekonstituierten. „Es gelang uns, genetische Module, die den gesamten Syntheseweg von Chlorophyll bilden, in Escherichia coli zusammenzusetzen. Unsere Ergebnisse zeigen, welcher Enzymsatz mindestens zur Herstellung von Chlorophyll benötigt wird und bilden eine Grundlage für die künstliche Photosynthese in heterotrophen Modellorganismen“, merkt Prof. Hunter an. Ermittlung der Struktur von Lichtsammelkomplexen Die Zuhilfenahme von Daten, die mittels Rasterkraftmikroskopie, Techniken der Kristallographie und Elektronenmikroskopie gewonnen worden waren, ermöglichte es den Wissenschaftlern, erstmals Modelle zu erstellen, die die gesamte Photosynthese-Membraneinheit von Rhodobacter sphaeroides auf atomarer Ebene abbilden. Die Modelle sagten die Zeit, die die Bakterien brauchen würden, um ihre Anzahl zu verdoppeln, richtig voraus. Ein bemerkenswertes Ergebnis. Eine weitere wichtige Errungenschaft war die Bestimmung einer photosynthetischen Proteinstruktur, die Infrarotlicht einfängt und in elektrische Ladung umwandelt. Die bahnbrechende Forschungsleistung wurde anhand eines photosynthetischen Komplexes des Bakteriums Blastochloris viridis erbracht, der Licht mit Wellenlängen von über 1 000 nm gewinnen und verwenden kann, wobei es sich um die rote Grenze für die Photosynthese auf der Erde handelt. Hybride Strukturen für verbesserte Lichtsammlung Mittels Methoden der synthetischen Biologie erzeugten die Wissenschaftler den ersten hybriden photosynthetischen Komplex in Bakterien, der die Effizienz der Sammlung von Sonnenlicht im Vergleich zur natürlichen Photosynthese steigert. Das Team berichtete außerdem über neue Verfahren aus den Bereichen Oberflächenchemie und Nanostrukturierung zur Erleichterung der Realisierung neuartiger Designs, bei denen eine Bündelung von Energieübertragung und -gewinnung stattfindet. Insbesondere fertigten sie mithilfe unterschiedlicher litographischer Verfahren nanometergroße Muster photosynthetischer Komplexe auf selbstorganisierten Monoschichten, die an Gold und Silizium angelagert wurden. „Solch künstliche Arrays zur Lichtsammlung werden zu Fortschritten beim Verständnis natürlicher Systeme für die Energiewandlung führen und könnten bei der Gestaltung und Herstellung von Einheiten für den Machbarkeitsnachweis, die in der Lage sind, auf effiziente Art und Weise Sonnenenergie einzufangen, umzuwandeln und zu speichern, die Richtung weisen“, schließt Prof. Hunter. Für die Zukunft sind zahlreiche Anwendungen im Energiesektor denkbar.
Schlüsselbegriffe
SYNTHPHOTO, Photosynthese, Bakterien, Pigment, synthetische Biologie, Sonnenenergie, Lichtsammelkomplex, Biosynthese von Chlorophyll
