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Fotosynthese: Das seltsame Lichtrad des Wüstenbakteriums

Dieser einzigartige Doppelring aus Proteinen sammelt Licht für die Fotosynthese. Doch er birgt auch ein evolutionäres Rätsel: Warum betreibt das Bakterium diesen immensen Aufwand für eine Struktur, die es gar nicht so richtig zu brauchen scheint?
Der Photosynthesekomplex von Gemmatimonas phototrophica.

Erst geklaut, dann umgebaut: Mit einem einzigartigen Doppelring aus Proteinen erntet das Bakterium Gemmatimonas phototrophica Sonnenlicht. Zwar stammen die meisten Teile des radförmigen Antennenkomplexes ursprünglich per horizontalem Gentransfer von einem anderen Bakterium, doch das in der Wüste Gobi gefundene Bakterium entwickelte aus bekannten Teilen etwas ganz Neues. Wie eine Arbeitsgruppe um Pu Quian von der University of Sheffield in »Science Advances« berichtet, fügte Gemmatimonas dem von anderen Mikroben bekannten Fotosynthesekomplex einen äußeren Proteinring hinzu. Die so entstandene Antennenstruktur ist weit größer als andere bakterielle Lichtsammelapparate, sehr effizient und außergewöhnlich stabil. Eine solche Weiterentwicklung ist in einem Bakterium, das Fotosynthese quasi nebenbei betreibt, eine echte Überraschung.

Der Fotosynthesekomplex von Gemmatimonas phototrophica | Das Fotosynthesesystem besteht aus dem zentralen Proteinkomplex, der Kohlendioxid in organische Moleküle umsetzt, sowie zwei Ringen aus 16 und 24 Proteinen, die Licht einfangen und energiereiche Elektronen ins Reaktionszentrum weiterleiten.

Gemmatimonas phototrophica nämlich ernährt sich überwiegend von organischen Stoffen in seinem Lebensraum, dem Süßwassersee Tian E Hu (Schwanensee) in der westlichen Gobi. Die Fotosynthese lässt das Bakterium effektiver wachsen, ist aber keineswegs seine Hauptnahrungsquelle. Vor diesem Hintergrund ist die Komplexität der radförmigen Struktur umso erstaunlicher. Die äußeren Ringe bestehen aus 24 und 16 Proteineinheiten, die insgesamt drei unterschiedliche Arten Bakteriochlorophyll enthalten und eintreffendes Licht zur Anregung von Elektronen nutzen. Im Zentrum des Lichtrads befindet sich das Reaktionszentrum, das mit Hilfe der gewonnenen Energie Kohlendioxid in organische Moleküle umsetzt.

Insgesamt besteht der fertige Fotosynthesekomplex aus mehr als 80 Einzelproteinen, in die rund 180 Moleküle Bakteriochlorophyll eingebettet sind. Von diesen gibt es drei Typen – zwei von ihnen sitzen im äußeren Ring und absorbieren grünes Licht, das dritte im inneren Ring rotes Licht. Die Pigmente des äußeren Rings befinden sich auf einem höheren Energieniveau als jene des inneren Rings und das Reaktionszentrum, so dass die gesamte Struktur wie ein Trichter funktioniert und die Energie Richtung Zentrum leitet.

Zu den »Eigenentwicklungen« des Bakteriums gehören zusätzliche Proteinstreben, die die Ringe mit dem Zentrum verbinden. Eine weitere Kuriosität trägt wohl ebenfalls zur Stabilität des Fotosynthesekomplexes bei: Zwischen dem zentralen Proteinkomplex und dem inneren Ring fand das Team um Pu Quian eine sehr kompakte Ansammlung von Lipidmolekülen, die normalerweise die Membran bilden, in die ein Fotosynthesekomplex eingebettet ist. Bei Gemmatimonas phototrophica allerdings scheinen die Moleküle die Bindung des inneren Rings ans Zentrum zu verbessern. Ein weiterer Bestandteil der riesigen Struktur sind verschiedene Farbstoffe, die dem Bakterium eine rosarote Färbung verleihen.

Rätselhaft ist, weshalb es sich für das Bakterium lohnt, einen so großen und energetisch entsprechend »teuren« Fotosynthesekomplex zu betreiben. Die Frage stellt sich umso mehr, da der Vorfahr von Gemmatimonas ursprünglich ein deutlich einfacheres System für die Fotosynthese von einem anderen Bakterium übernahm. Das entscheidende Gen namens pufA2, das den Doppelring möglich macht, ist wohl eine Eigenentwicklung des Bakteriums. Eine Erklärung könnte die außerordentliche Stabilität des Komplexes sein. Demnach ist es zwar sehr teuer, ihn zu produzieren – aber weil er lange hält, kann das Bakterium ihn in guten Zeiten auf Vorrat herstellen. Bei Nahrungsmangel könnte der Organismus dann dank Fotosynthese überleben, ohne knappe Energie für den Bau der dafür nötigen Maschinerie aufwenden zu müssen.

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