Zwei Photosynthese-Proteine identifiziert

Über 600 Proteine steuern die hochkomplexe Photosynthese in Grünpflanzen. In internationalen Arbeitsgruppen spüren Wissenschaftler diesem Geheimnis des Lebens auf moelkulargenetischer Ebene nach. Zwei der plastidären Proteine hat jetzt Prof. Dr. Ralf Oelmüller an der Universität Jena identifiziert und ihre genaue Funktion analysiert.

Im Keller seines Instituts züchtet Prof. Dr. Ralf Oelmüller Unkraut. Arabidopsis thaliana, die Ackerschmalwand, ein unscheinbares genügsames Gewächs, wie man es auch an heimischen Bahnrainen findet, hat es dem Pflanzenphysiologen aus dem Jenaer Uni-Institut für Allgemeine Botanik angetan. „Ein dankbarer Modellorganismus“, urteilt der Wissenschaftler, „dessen Erbsubstanz mit rund 26.000 Genen sehr gut erforscht und Baustein für Baustein in Datenbanken archiviert ist.“ Damit macht sich Oelmüller auf die Spur, einen alltäglichen Vorgang im Reich der Pflanzen zu erforschen, ohne den es auf unserer Erde praktisch kein Leben gäbe: die Photosynthese.

Was dabei passiert, lernt jedes Kind in der Schule: Alle grünen Pflanzenbestandteile sind bei Sonnenschein in der Lage, Kohlendioxid aufzunehmen und die Kohlenstoffatome zu energiereichen Zuckermolekülen zu verknüpfen. Davon ernährt sich die Pflanze. Als Abfallprodukt scheidet sie Sauerstoff aus – eben die „gute Luft“, die Menschen und Tiere atmen. Biochemisch verläuft die Photosynthese über vier Hauptschritte. Zunächst entsteht dabei durch das Sonnenlicht ein energiereiches Vorprodukt, Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADPH), das dann in einer so genannten Dunkelreaktion Kohlendioxid in Zucker- bzw. Stärkemoleküle umwandelt. „Photosynthese ist ein hochkomplexer Vorgang, den wir längst noch nicht bis ins molekulargenetische Detail verstanden haben“, erklärt Ralf Oelmüller.

Rund 70-80 Strukturproteine werden für die Photosynthese benötigt. Sie sind durch Gene sowohl im Zellkern als auch in den Chloroplasten – Zellorganellen, die den Blättern die grüne Farbe verleihen – kodiert und organisieren den Photosynthese-Ablauf; außerdem sind noch mindestens 500 weitere Proteine, die in geringen Konzentrationen im „Zellsaft“ schwimmen, daran beteiligt. Diese regeln zum Beispiel die Kommunikation zwischen den beiden beteiligten Zellorganellen.

Welches Protein für welche Aufgabe genau verantwortlich ist, ermitteln die Forscher über einen naheliegenden Trick: Sie stellen Pflanzen-Mutanten mit einem Gendefekt her und prüfen nach, welche Funktionen in dem fein austarierten Steuerungsprozess genau gestört sind. Über 50 der rund 600 Proteine wurden bereits von internationalen Arbeitsgruppen aufgeklärt, zwei weitere hat nun Ralf Oelmüller identifiziert. „Eine Kärrnerarbeit, ein Puzzlespiel“, stöhnt er, „wenn wir Glück haben, schaffen wir ein Protein pro Jahr.“

In der Wissenschaft bedeutet jede dieser Proteinidentifikationen eine kleine Sensation. Entsprechend stolz präsentiert Oelmüller seine beiden Ackerschmalwand-Mutanten, die besonderer Pflege bedürfen; denn zur Photosynthese sind sie nicht mehr in der Lage. „Wir halten sie auf einer Zuckernährlösung“, erklärt der Professor, „in der freien Natur könnten sie nicht überleben.“

Inzwischen haben die Jenaer Forscher genau herausgefunden, welche Aufgaben die in den beiden Mutanten fehlenden Proteine üblicherweise erfüllen. Das eine ist offensichtlich maßgeblich daran beteiligt, den so genannten Photosystem I-Komplex „zusammenzubauen“, also jenen „Motor“ zu organisieren, der aus Proteinen von Zellkern und Chloroplasten besteht und das energiereiche NADPH erzeugt. Das andere, ebenfalls ein plastidäres Protein, welches aus dem Zellsaft in die Chloroplasten einzudringen vermag, kontrolliert die Informationsübermittlung innerhalb der Chloroplasten.

In einigen Jahren, so schätzt Prof. Oelmüller, wird das Protein-Puzzle zu einem vollständigen molekulargenetischen Drehbuch der Photosynthese zusammengefügt sein. „Wir spüren einem der großen Rätsel in der Natur nach, für das die Evolution Jahrmillionen gebraucht hat“, erläutert der Pflanzenphysiologe und schmunzelt: „Gemessen daran sind wir doch ziemlich schnell.“ Was aber werden die Forscher mit dem neuen Wissen anfangen. „Grundlagenforschung dient zunächst dem reinen Erkenntnisgewinn“, stellt Oelmüller klar, „aber sicher gibt es dann auch Anwendungsmöglichkeiten in der ,grünen Genetik’“. Zum Beispiel, durch gezielte Eingriffe in die Pflanzen-DNA solche Arten zu züchten, die in ihrem Stoffwechsel mehr Sauerstoff oder höherwertigen Zucker produzieren. Beides wäre angesichts der zunehmenden globalen Ökologieprobleme ein riesiger Fortschritt.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Ralf Oelmüller
Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Tel.: 03641/949231, Fax: 949232
E-Mail: b7oera@rz.uni-jena.de

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