LMU-Entdeckung: Photosynthese ist mit nur einem Photosystem möglich

München (ots)

* Neuentdeckung der Arbeitsgruppe von LMU-Biologen Dario Leister zeigt erstmals: Sauerstoffbildende Photosynthese ist auch mit nur einem Photosystem möglich.
* Die dazu im Fachmagazin _Nature Communications_ veröffentlichte Studie stellt damit eines der grundlegenden Paradigmen der Biologie infrage.
* Das Team identifiziert einen Mechanismus, mit dem die im Labor erzeugten Cyanobakterien das Fehlen von Photosystem I kompensieren.

Ein wissenschaftliches Team der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) konnte erstmals zeigen, dass sauerstoffbildende Photosynthese auch mit nur einem einzigen Photosystem möglich ist – und stellt damit eines der grundlegenden Paradigmen der Biologie infrage. Die Ergebnisse wurden jetzt im Fachmagazin _Nature Communications_ veröffentlicht.

Es gibt nur wenige biologische Konzepte, die als so gesichert gelten, dass sie seit Jahrzehnten nahezu unverändert in jedem Lehrbuch stehen. Eines davon lautet: Für die sauerstoffbildende Photosynthese werden zwingend zwei Photosysteme benötigt. Die nun vorgelegten Ergebnisse zeigen, dass dieses grundlegende Prinzip, das seit mehr als 50 Jahren zum Grundwissen der Biologie gehört, offenbar nicht universell gilt.

„Wenn ein Lehrbuchparadigma fällt, betrifft das nicht nur ein Detail unseres Wissens – es verändert unseren Blick auf einen fundamentalen biologischen Prozess“, sagt Professor Dario Leister, Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologie der Pflanzen an der LMU und Leiter der Studie. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Natur deutlich flexibler ist, als wir bislang angenommen haben.“

Die Photosynthese versorgt die Erdatmosphäre mit Sauerstoff und bildet die Grundlage nahezu aller Nahrungsketten. Pflanzen, Algen und Cyanobakterien wandeln Sonnenlicht in chemische Energie um. Nach dem bisherigen Verständnis gelingt dies nur durch das Zusammenspiel zweier großer Proteinkomplexe: Photosystem II und Photosystem I.

ZUFÄLLIGE ENTDECKUNG

Ziel des Forschungsprojekts der LMU war eigentlich, ein pflanzliches Photosystem I in das Cyanobakterium Synechocystis einzubauen. Mithilfe gentechnischer Methoden und adaptiver Labor-Evolution entstanden dabei Organismen, denen das Photosystem I vollständig fehlt.

„Eigentlich wollten wir etwas völlig anderes erreichen“, sagt Leister. „Dass daraus Organismen entstehen würden, die ohne Photosystem I wachsen, Kohlendioxid fixieren und Sauerstoff produzieren können, war vollkommen unerwartet.“ Die neuen Cyanobakterienstämme betreiben trotz des fehlenden Photosystems I vollständige sauerstoffbildende Photosynthese. Damit widerlegen sie die bislang geltende Annahme, dass Photosystem I für die Bildung des Reduktionsmittels NADPH unverzichtbar ist.

EIN ALTERNATIVER WEG DER ENERGIEUMWANDLUNG

Das Team konnte außerdem einen Mechanismus identifizieren, der erklärt, wie die Bakterien das fehlende Photosystem kompensieren: Durch mehrere evolutionäre Anpassungen wird der photosynthetische Elektronentransport grundlegend umorganisiert.

Ein besonders starker Protonengradient ermöglicht es dem NDH-1-Komplex, in umgekehrter Richtung zu arbeiten und so das Reduktionsmittel NADPH bereitzustellen – eine Funktion, die bislang ausschließlich Photosystem I zugeschrieben wurde.

PHOTOSYNTHETISCHE UND BIOTECHNOLOGISCHE ANWENDUNGEN – NEUE ANSÄTZE SIND MÖGLICH

Die Entdeckung verändert das Verständnis der Evolution der Photosynthese grundlegend. Sie eröffnet neue Perspektiven auf die evolutionären Wege, über die sich sauerstoffbildende Photosynthese entwickeln konnte, und wirft grundlegende Fragen zur Entstehung und Anpassungsfähigkeit photosynthetischer Systeme auf.

Langfristig könnten die Ergebnisse zudem neue Ansätze für die Entwicklung effizienterer photosynthetischer Systeme und biotechnologischer Anwendungen ermöglichen.

PUBLIKATION:

Ludwiczak, M., Dann, M., Figueroa-Gonzalez, T. _et al._ Photosystem I-independent oxygenic photosynthesis in cyanobacteria. _Nature Communications_ 17, 6081 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-74903-2

Kontakt:Prof. Dr. Dario Leister
Fakultät für Biologie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Tel.: +49 89 2180 74550
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