Wie Algen überschüssige Lichtenergie unschädlich machen

Pflanzen sind auf das Sonnenlicht angewiesen, um zu wachsen. Mithilfe der Lichtenergie erzeugen sie Zuckermoleküle, die in Bausteine ihrer Zellen umgewandelt werden und als Energielieferanten dienen. Dabei entziehen Pflanzen der Atmosphäre Kohlendioxid und geben Sauerstoff ab.

Dieser Prozess – die Fotosynthese – ist die Grundlage des Lebens auf der Erde. „Die Fotosynthese liefert die pflanzliche Biomasse und damit die Ernährungsgrundlage für Mensch und Tier“, sagt Prof. Dr. Michael Hippler vom Institut für Biochemie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Münster.

Doch die Verwendung von Lichtenergie zum Aufbau von Biomasse ist für Pflanzen eine Gratwanderung. Die Aufnahme von Licht durch zelluläre Pigmentmoleküle, zum Beispiel durch den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll, kann zur Produktion von Sauerstoffradikalen und damit zu Schäden in Pflanzen führen. „Um sich vor solch oxidativer Zerstörung – gewissermaßen vor 'Sonnenbrand' – zu schützen, haben Pflanzen Mechanismen entwickelt, die überschüssige Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln. Obwohl Algen einen großen Anteil an der weltweiten Produktion von Biomasse haben, war über diesen Schutzmechanismus in Algen bislang wenig bekannt – im Gegensatz zu Blütenpflanzen“, so Prof. Hippler. Ein internationales Team von Wissenschaftlern um Prof. Hippler und Prof. Kris Niyogi von der „University of California“ in Berkeley, USA, hat diesen Sonnenschutzmechanismus in der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii nun aufgeklärt.

Der Sonnenschutzfaktor ist ein bestimmtes Lichtsammler-Protein („LHCSR3“). „Im Allgemeinen sammeln solche Proteine Licht – wie ihr Name schon sagt – und machen es für die Fotosynthese nutzbar. In diesem besonderen Fall erlaubt das Protein allerdings die Umwandlung von Licht- in Wärmeenergie. Dadurch macht es überschüssige Lichtenergie unschädlich“, sagt Prof. Hippler. „Im Vergleich zu den herkömmlichen Lichtsammler-Proteinen hat 'LHCSR3' einen sehr alten Ursprung. Es stammt wahrscheinlich direkt vom Urahn aller Lichtsammler-Proteine ab.“ Wird die Herstellung dieses Proteins verhindert, sind die Algen nicht mehr in der Lage, den Sonnenschutzfaktor zu produzieren. Sie bekommen dann „Sonnenbrand“, der sogar zum Absterben der Algenzellen führen kann.

„Interessanterweise haben Blütenpflanzen diese Eiweißmoleküle im Laufe der Evolution verloren und einen anderen Sonnenschutzmechanismus entwickelt, bei dem ebenfalls Licht- in Wärmeenergie umgewandelt wird“, so Prof. Hippler. „Die Entdeckung des Sonnenschutzfaktors in Algen erlaubt tiefe Einblicke in die Regulation der aquatischen Fotosynthese, die für 50 Prozent der weltweiten Primärproduktion an Biomasse verantwortlich ist.“ Zudem, so Prof. Hippler, könnten die Erkenntnisse dazu genutzt werden, die Anzucht von Mikroalgen in Bioreaktoren zu optimieren. So könne die biotechnologische Produktion von Algenbiomasse, zum Beispiel zur Herstellung von Biokraftstoffen, verbessert werden.

Literatur:

Peers G. et al. (2009): An ancient light-harvesting protein is critical for the regulation of algal photosynthesis. Nature 462, 518-521; doi: 10.1038/nature08587