Rotlicht zur Energiegewinnung

In der Photosynthese werden aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche Kohlenhydrate hergestellt, die dem Menschen, Tieren, Pilzen und den meisten Bakterien als Nahrung dienen.

Als „Abfallprodukt“ entsteht hierbei Sauerstoff. Schlüsselmoleküle für die Funktionsweise der Photosynthese von Pflanzen, Algen und bestimmten Bakterien sind die Chlorophylle. Diese natürlichen Farbstoffe sind unter anderem verantwortlich für die Lichtabsorption, den Energietransfer und den Elektronentransfer während der Photosynthese. Sie sind auch für die grüne Farbe von Pflanzen verantwortlich.

Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung der Ludwig-Maximilians-Universität München hat in dichten Matten von Cyanobakterien (Stromatolithen) an der westaustralischen Shark Bay ein neues Chlorophyll-Molekül nachgewiesen, das besonders langwelliges Licht im nahen Infrarotbereich absorbieren kann. Stromatolithen gehören zu den ältesten bekannten Organismen-Gemeinschaften der Erde.

Ein Chlorophyll für alle Fälle

Chlorophylle sind für die Lichtabsorption bei der Photosynthese zuständig. Es gibt dabei verschiedene Arten von Chlorophyll-Molekülen, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen absorbieren können. Bis vor Kurzem wurde angenommen, dass allein das Chlorophyll a, die häufigste Variante in grünen Pflanzen, in der Lage ist, den eigentlichen Energiewandlungsprozess auszuführen. Rotes Licht von weniger als 700nm Wellenlänge würde damit eine energetische Grenze markieren (sog. Rotabfall, vgl. Vorarlberger Bildungsserver). Später entdeckte man bei einem speziellen Cyanobakterium Chlorophyll d, das Licht oberhalb von 700nm für die Photosynthese nutzbar macht. Das neu entdeckte Chlorophyll f kann noch langwelligere Strahlung als die anderen insgesamt vier bekannten Chlorophylle (a, b, c und d) der Sauerstoff-produzierenden (oxigenen) Photosynthese absorbieren.

In den dichten Algenmatten konkurrieren die Photosynthese betreibenden Cyanobakterien um das Sonnenlicht. Während die in den oberen Schichten lebenden Organismen fast die gesamte sichtbare Sonnenstrahlung abfangen, bleibt für die unteren im Schatten lebenden Organismen kaum Licht im sichtbaren Bereich übrig. Dies führt, so die Annahme der Forscher, zu einem hohen Selektionsdruck das wenige durchgedrungene sichtbare Licht zu nutzen oder aber das von Chlorophyll a nicht absorbierte nahe Infrarotlicht.

In einigen Cyanobakterien aus tieferen, dunkleren Schichten fanden die Wissenschaftler dann auch wirklich ein auf Rotlicht spezialisiertes Chlorophyll. Dieses Chlorophyll f unterscheidet sich in seiner Struktur nicht sehr von den bekannten Arten. Entscheidend für die Verschiebung der Absorption hin zu Licht im nahen Infrarotbereich ist allein die genaue Position einer einzelnen sogenannten Formyl-Gruppe im Chlorophyll-Molekül.

In die Zukunft gedacht

Das Chlorophyll f ist das erste Chlorophyll, das seit mehr als 60 Jahren entdeckt wurde.

Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, gezielt spektrale Änderungen an unterschiedlichen Chlorophyll-Molekülen durchzuführen, um deren Funktion zu verändern. Potenziale bringt dies zum Beispiel für die Entwicklung technischer Anlagen für die energetische Nutzung von Licht (z.B. Solaranlagen, Biomassekraftwerke), die dadurch einen größeren Wirkungsgrad bekommen könnten. Und auch medizinische Ansätze gibt es bereits: Bei der photodynamischen Krebstherapie sammeln sich lichtempfindliche Medikamente im Tumor an. Diese werden durch die gezielte Bestrahlung mit Licht von außen aktiviert. Im nahen Infrarotbereich absorbierende Chlorophyll-Moleküle sind hier besonders interessant, da Strahlung in diesem Spektralbereich besonders tief in das Gewebe eindringen kann.

Publikation:
Min Chen et al. (2010): A red-shifted chlorophyll. Science online (19. August 2010), DOI: 10.1126/science.1191127 (http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/science.1191127).