Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie photosynthetische Zellen auf Eisenmangel reagieren

05.05.2017

Forscher finden in Cyanobakterium ein RNA-Molekül, das für die Anpassung des Stoffwechsels eine wesentliche Rolle spielt

Ein internationales Team um Prof. Dr. Wolfgang R. Hess und Dr. Jens Georg von der Fakultät für Biologie der Universität Freiburg hat ein RNA-Molekül entdeckt, das in Cyanobakterien eine Schlüsselrolle spielt, um den Stoffwechsel an die jeweils verfügbare Menge an Eisen anzupassen. Eisen ist unverzichtbar für die oxygene Photosynthese, mit der Pflanzen, Algen und Cyanobakterien Solarenergie für die Synthese von organischen Stoffen sowie für die Sauerstoffproduktion verwenden. Mithilfe von IsaR1 – für „Iron stress activated RNA 1“ – gelingt es den Cyanobakterien, ihre photosynthetische Aktivität bei Eisenmangel zu reduzieren. Die Forscherinnen und Forscher veröffentlichten die Ergebnisse ihrer Studie im Fachjournal „Current Biology“.


In Stromatolithen gefundene Mikrofossilien zeigen, dass photosynthetische Cyanobakterien zu den ältesten Lebensformen auf der Erde zählen. Dieser Stromatolith aus Kreta/Griechenland stammt aus dem Erdzeitalter der Trias und ist etwa 230 Millionen Jahre alt.     

Foto: Sandra Meyndt

Quelle: Geologisch-Paläontologische Sammlung, Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften

Sauerstoff produzierende photosynthetische Zellen sind auf Eisen angewiesen, befinden sich aber in einem zweifachen Dilemma: Dreiwertiges Eisen (Fe3+) und Sauerstoff neigen dazu, miteinander zu reagieren und eine Art Rost zu bilden, der in einer sauerstoffhaltigen Umgebung nicht löslich ist. Das derart gebundene Eisen ist für den Stoffwechsel nicht mehr verfügbar. Dagegen kann zweiwertiges Eisen (Fe2+) mit anderen Molekülen in der Zelle reagieren, was zur Bildung freier Radikale führen kann – Verbindungen, welche die Zelle schädigen können. Daher ist Eisen ein unersetzliches, aber potenziell gefährliches Element, dessen Status und Konzentration ständig unter Kontrolle gehalten werden müssen.

Schon zuvor war bekannt, dass viele Bakterien den Gleichgewichtszustand von Eisen mithilfe des Transkriptionsfaktors Fur kontrollieren. Ist genügend Eisen vorhanden, wird dieses von Fur gebunden, wodurch dieser befähigt wird, das Ablesen bestimmter Gene zu verhindern. Bei Eisenmangel verliert Fur das Eisen wieder, sodass das Bakterium bestimmte Proteine produzieren kann, die zum Beispiel seine Versorgung mit Eisen wieder sicherstellen.

Gleichzeitig muss bei Eisenmangel das Ablesen anderer Gene verhindert werden, um die Produktion besonders eisenhaltiger Proteine, die für das Überleben unter solch ungünstigen Bedingungen nicht zwingend erforderlich sind, zu stoppen. Dies betrifft insbesondere den Apparat für die oxygene Photosynthese, die eisenreichste supramolekulare Struktur in der Zelle. An der Umsetzung der in der DNA enthaltenen Information sind unter anderem regulatorische RNAs beteiligt. Ein solches Molekül ist IsaR1, welches den photosynthetischen Apparat des Cyanobakteriums unter Eisenmangel auf drei Arten beeinflusst: Es verhindert erstens die Herstellung von vielen Proteinen, die normalerweise für die Photosynthese wichtig sind. Zweitens greift es in den biochemischen Reaktionsweg ein, der zur Produktion von Chlorophyll führt; das grüne photosynthetische Pigment wird in geringerer Menge benötigt, wenn Eisen rar wird. Drittens wirkt es der Herstellung von Proteinen für Eisen-Schwefel-Verbindungen, die bei der Photosynthese ebenfalls eine wichtige Rolle spielen, entgegen.

Eine Besonderheit ist zudem, dass IsaR1 aus nur 68 Nukleotiden besteht, wohingegen Gene für regulatorisch wirkende Proteine Tausende dieser Bausteine benötigen. „Die Entdeckung, dass ein so kurzes RNA-Molekül eine so wesentliche Anpassung des Stoffwechsels steuert, der die Photosynthese-Maschinerie aus drei unterschiedlichen Richtungen beeinflusst, war für uns eine große Überraschung“, sagt Hess. Die Ergebnisse ermöglichen Einsichten in eine zuvor unbekannte Anpassungsstrategie photosynthetischer Cyanobakterien und befähigen die Wissenschaftler, wichtige Schlussfolgerungen zur Regulierung photosynthetischer Prozesse zu ziehen – möglicherweise gibt es vergleichbare Mechanismen auch in Algen und Pflanzen.

Hintergrund: Cyanobakterien
In Australien in so genannten Stromatolithen gefundene Mikrofossilien zeigen, dass photosynthetische Cyanobakterien zu den ältesten Lebensformen auf der Erde zählen. Zellen, die Cyanobakterien ähneln, existierten schon vor mehr als drei Milliarden Jahren. Ihre photosynthetische Aktivität setzte Sauerstoff frei, der sich über die Jahrtausende in der Atmosphäre ansammelte und letztlich die Evolution von Tieren und Menschen ermöglichte. Bis heute spielen Cyanobakterien, vor allem in den Ozeanen, in natürlichen Kreisläufen eine wichtige Rolle.

Originalveröffentlichung:
Jens Georg, Gergana Kostova, Linda Vuorijoki, Verena Schön, Taro Kadowaki, Tuomas Huokko, Desirée Baumgartner, Maximilian Müller, Stephan Klähn, Yagut Allahverdiyeva, Yukako Hihara, Matthias E. Futschik, Eva-Mari Aro, Wolfgang R. Hess: Acclimation of Oxygenic Photosynthesis to Iron Starvation Is Controlled by the sRNA IsaR1. Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.04.010

Kontakt:
Prof. Dr. Wolfgang R. Hess
Genetik und Experimentelle Bioinformatik, Fakultät für Biologie
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-2796
E-Mail: wolfgang.hess@biologie.uni-freiburg.de

Weitere Informationen:

https://www.pr.uni-freiburg.de/pm/2017/wie-photosynthetische-zellen-auf-eisenman...

Rudolf-Werner Dreier | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen
20.09.2017 | Veterinärmedizinische Universität Wien

nachricht Molekulare Kraftmesser
20.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik