Algenbiotechnologie & Bioenergie

Hintergrund

Photosynthetische Organismen haben die Fähigkeit entwickelt, Sonnenenergie zu nutzen, um energiereiche chemische Moleküle zu produzieren, die die Grundlage für alles Leben auf unserem Planeten bilden. Die meisten Pflanzen und photosynthetischen Mikroorganismen sind sessil oder in ihrer Mobilität eingeschränkt. Daher mussten sie Strategien entwickeln, um sich an die tages- und jahreszeitlichen Veränderungen in ihrer Umgebung anzupassen. Das Sonnenlicht ist die treibende Kraft der Photosynthese und daher von besonderer Bedeutung für das Überleben photosynthetischer Organismen. Daher ist das Zusammenspiel zwischen Lichtwahrnehmung und zellulären Reaktionsreaktionen für die Photosyntheseforschung von grundlegendem Interesse. Die Verfügbarkeit von Lichtenergie ändert sich im Tagesrhythmus dramatisch und kann von limitierend Bedingungen (Nacht, Sonnenaufgang/Dämmerung) bis hin zu einem Überangebot reichen. Außerdem kommt es häufig zu schnellen und unvorhersehbaren Veränderungen während der Lichtperiode (z.B. durch Wolken). Photosynthetische Organismen haben ein faszinierendes Netzwerk von Anpassungsreaktionen entwickelt, um sich an diese Veränderungen anzupassen. Der erste Schritt der Photosynthese und damit die direkte Verbindung zwischen der physikalischen Welt (elektromagnetische Strahlung der Sonne) und der lebenden Zelle wird gemeinhin als Lichtsammlung bezeichnet. Die Lichtsammelreaktionen sind von entscheidender Bedeutung für alle nachfolgenden photosynthetischen Reaktionen und stehen im Mittelpunkt unserer Forschungsprojekte.

Vereinfachtes Schema der Energieumwandlung in Chlamydomonas. Sonnenenergie wird von LHC-Proteinen eingefangen, Elektronen werden aus H2O freigesetzt und entlang der Elektronentransportkette übertragen, um Ferredoxin (Fd) zu reduzieren. Fd kann dann verwendet werden, um oxidierten Kohlenstoff (CO2) zu reduzieren.

Photosynthetische Akklimatisierungsprozesse in einzelligen photosynthetischen Eukaryoten

Photosynthetische Organismen sind ständig mit einem schwankenden Angebot an Licht oder Kohlendioxid konfrontiert. Die Effizienz der Lichtausbeute und damit die Energiezufuhr am Photosystem II muss eng an die vorherrschenden äußeren Bedingungen angepasst werden. Dies garantiert eine effiziente Lichtnutzung unter limitierenden Bedingungen und vermeidet die Bildung schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies, wenn das Licht im Übermaß vorhanden ist. Die durch den zytosolischen Translationsrepressor NAB1 vermittelte Translationskontrolle der mit dem Photosystem II assoziierten Lichtsammelproteine (LHCBMs) ist ein Schlüsselprozess, der für die Anpassung der PSII-Lichtsammelkapazität als Reaktion auf Veränderungen der äußeren Bedingungen erforderlich ist. Wir verwenden die NAB1-vermittelte Translationskontrolle von LHCBM mRNAs als Modellsystem, um neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Chloroplasten, Zellkern und Zytosol während der Lichtakklimatisierung zu gewinnen.

Die Rolle der mTERF-Proteine bei Chloroplasten-Mitochondrien-Interaktionen und photosynthetischen Akklimatisierungsprozessen

Die Stoffwechselprozesse in den beiden Organellen Chloroplast und Mitochondrium sind durch einen intensiven interorganellaren Austausch eng miteinander verbunden. So ist beispielsweise eine effiziente Photosynthese auf die mitochondriale Atmung im Licht angewiesen, da überschüssige Reduktionsäquivalente, die sich unter bestimmten Bedingungen im Plastiden ansammeln, exportiert und durch die Mitorespiration verbraucht werden können, die wie ein Ventilsystem wirkt. Die Kernuntereinheiten der Atmungskette werden vom mitochondrialen Genom kodiert und von einer organellenspezifischen Maschinerie exprimiert, die ihre Expression von der nukleären Kontrolle abkoppelt, die die Expression der meisten mitochondrialen Proteine reguliert. Die organellare Genexpression (OGE) gehört zu den möglichen Signalquellen, von denen angenommen wird, dass sie retrograde Signalereignisse initiieren und modulieren, und die Akklimatisierung photosynthetischer Eukaryoten an Umweltveränderungen hängt entscheidend von einer engen Koordination der nuklearen, plastidischen und mitochondrialen Genexpression ab. mTERF-Proteine (mitochondrial transcription termination factor) wurden in verschiedenen eukaryotischen Systemen identifiziert. Zu ihnen gehört das C. reinhardtiim TERF Protein MOC1, das in vivo als mitochondrialer Transkriptionsterminationsfaktor fungiert und benötigt wird, um eine Read-Through-Transkription an seiner Bindungsstelle zu verhindern. Eine Inaktivierung des MOC1-Gens in der Mutante stm6 führt zu einer Deregulierung der mitochondrialen Genexpression und Atmung. Interessanterweise stört diese Deregulierung auch die Prozesse der Lichtakklimatisierung im Chloroplasten und begünstigt die verstärkte Produktion von Biowasserstoff. Zukünftige Forschungen werden sich auf die Rolle der mTERFs von C. reinhardtii bei den Prozessen der Lichtakklimatisierung und die Interaktionen zwischen Chloroplasten und Mitochondrien in photosynthetisierenden C. reinhardtii Zellen konzentrieren.

Entwicklung von Mikroalgenbiokatalysatoren

Phototrophe Mikroben haben ein großes Potenzial für die nachhaltige Erzeugung von Massenprodukten wie Lebensmitteln, Futtermitteln, Materialien, Chemikalien und Kraftstoffen. Im Vergleich zu Landpflanzen ist die Effizienz der Umwandlung von Sonnenenergie in Biomasse bei phototrophen Mikroben, einschließlich einzelliger Mikroalgen, deutlich höher, da im Gegensatz zu höheren Pflanzen jede Zelle photosynthetisch ist. Darüber hinaus ist die Algenbiomasse reich an wertvollen Komponenten wie neutralen Lipiden, die als Ausgangsmaterial für die Biodieselproduktion dienen, oder an Verbindungen, die für die menschliche Ernährung von hohem Wert sind, darunter langkettige, mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Die in einem photoautotrophen Regime produzierte Stärke könnte durch Fermentation in Mehrwertprodukte wie Bioethanol umgewandelt werden. Restbiomasse (z.B. nach der Biowasserstoffproduktion) kann in Bioraffineriekonzepte integriert werden, indem sie als Substrat für die Biomethanproduktion verwendet wird. Mikroalgen, die sich gentechnisch verändern lassen, können mit synthetischen Stoffwechselwegen ausgestattet und als Biokatalysatoren eingesetzt werden, die Sonnenenergie, Wasser und Kohlendioxid in verschiedene kohlenstoffhaltige Verbindungen umwandeln (z.B. Drop-in-Transportkraftstoffe). Die in Algenmassenkulturen beobachteten Wirkungsgrade der Photonenumwandlung liegen jedoch weit unter der theoretischen Obergrenze, so dass es notwendig ist, Algenstämme zu entwickeln, die Sonnenenergie effizienter in Biomasse oder kohlenstoffbasierte Chemikalien umwandeln.