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 Waldrand oder mittendrin: Das Erbgut von Mausmakis unterscheidet sich je nach Lebensraum
19.07.2018 | Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover

nachricht Infrarotsensor als neue Methode für die Wirkstoffentwicklung
19.07.2018 | Ruhr-Universität Bochum

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: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Europaweit erste Patientin mit neuem Hybridgerät zur Strahlentherapie behandelt

19.07.2018 | Medizintechnik

Waldrand oder mittendrin: Das Erbgut von Mausmakis unterscheidet sich je nach Lebensraum

19.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Automatisiertes Befüllen von Regalen im Einzelhandel

19.07.2018 | Verkehr Logistik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics