Besser als die Natur? Effizientere Photosynthese per Computersimulation

Das Modell berücksichtigt alle Enzyme und chemischen Verbindungen, die an der Reaktion beteiligt sind. Auch die äußeren Einflüsse, wie Lichtintensität und Nährstoffangebot, fließen in die Berechnung ein. Die Wissenschaftler tüftelten so lange an der Programmierung, bis die Mengen der gebildeten Verbindungen exakt mit denen im natürlichen Pflanzenblatt übereinstimmten und korrekt vorhersagbar waren.

Auf der Basis dieses Modells entwickelten sie ein virtuelles Blatt, dessen Photosyntheseleistung fast doppelt so hoch liegt wie bei natürlichen Blättern. Die Stickstoffzufuhr blieb dabei konstant. Der Schlüssel zur Optimierung der Reaktion liegt nach den Ergebnissen der Experten in der Konzentration bestimmter Enzyme. Am Prozess der Photosynthese sind insgesamt mehr als 100 Enzyme beteiligt. Entscheidend für die Effizienz des Vorgangs sind vor allem die Enzyme, die den aufgenommenen Stickstoff umwandeln.

Um diese herauszufiltern, erhöhte das Modell zufällig die Konzentration einzelner Enzyme. Sorgte die Erhöhung für einen besseren Energieertrag im Blatt, wurde diese in weiteren Szenarien so lange gesteigert, bis ein Energiemaximum erreicht war. Auf diese Weise siebte das Programm die Enzyme heraus, deren Konzentration entscheidend für die Effizienz der photosynthetischen Reaktion ist. Bestätigt wurde die Reihe der ausgelesenen Enzyme durch die Ergebnisse anderer Studien.

Bei Untersuchungen an transgenen Pflanzen mit überdurchschnittlichen Erträgen war die Konzentration der gleichen Enzyme ebenfalls deutlich erhöht. Auch auf die Frage, warum die Natur den großen Spielraum bei der pflanzlichen Energiegewinnung nicht nutzt, haben die Forscher eine Antwort. Denn anders als die ertragsorientierten Menschen selektiert die Natur bei Wildpflanzen nach Überlebensfähigkeit und Fruchtbarkeit aus. Das erfordert aber nicht unbedingt eine Photosynthese mit maximaler Effizienz.