Wissenschaftler haben die Geschichte der Photosynthese umgeschrieben


Die Forscher haben ihren besten Einblick in die Ursprünge der Photosynthese, einer der bedeutendsten Neuerungen der Natur. Wissenschaftler der Arizona State University und der Pennsylvania State University haben hochaufgelöste Röntgenbilder von Proteinen aus primitiven Bakterien in atomarer und hochauflösender Weise hochgerechnet, wie die früheste Version der Photosynthese aussehen könnte wie vor fast 3,5 Milliarden Jahren. Wenn sie richtig sind, könnten ihre Befunde die evolutionäre Geschichte des Prozesses, den das Leben zur Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie verwendet, umschreiben.

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Photosynthese wirkt direkt oder indirekt auf nahezu jeden Organismus der Erde. Es ist verantwortlich für die Zusammensetzung unserer Atmosphäre und bildet die Grundlage für die vielen verwobenen Ökosysteme des Planeten. Die Biochemikerin Wolfgang Nitschke im französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Paris bemerkte, dass die Photosynthese Zellen freisetzt, die wachsen und sich unbegrenzt entwickeln, indem sie Energie aus einer neuen, unerschöpflichen, nicht-raumfremden Quelle ableiten. "Als die Photosynthese ins Bild kam, war das Leben mit dem Kosmos verbunden", sagte er.

Wissenschaftler wollen herausfinden, was das möglich gemacht hat. In seiner jetzigen Form ist die Maschinerie, die Lichtenergie in chemische Photosynthese umwandelt – ein Proteinkomplex, der als Reaktionszentrum bezeichnet wird – unglaublich komplex. Die Beweise legen jedoch nahe, dass sein Design, das fast bis zur Wurzel des Lebensbaumes reicht, einmal sehr einfach war. Forscher haben seit Jahrzehnten versucht, diese enorme Lücke in ihrem Verständnis der Entwicklung der Photosynthese (und warum) zu schließen.

Zu diesem Zweck haben sie ihre Aufmerksamkeit auf existierende Organismen gerichtet.

Durch die Untersuchung der molekularen Details der Reaktionen, die grüne Pflanzen, Algen und einige Bakterien zur Photosynthese verwenden, und durch die Analyse der evolutionären Beziehungen zwischen ihnen versuchen die Wissenschaftler, eine überzeugende historische Erzählung für den Prozess zusammenzufügen.

Die schlammigen Böden rund um die geothermischen heißen Quellen in Island, wie die hier abgebildete Geysir-Quelle, sind der natürliche Lebensraum für primitive photosynthetische Heliobakterien. Wissenschaftler untersuchen nun diese Organismen für Einblicke in die frühe Evolution der Photosynthese. ] Der jüngste wichtige Hinweis stammt aus Heliobacterium modesticaldum der als einfachstes bekanntes photosynthetisches Bakterium gilt. Sein Reaktionszentrum ist, so die Forscher, das nächstgelegene für den ursprünglichen Komplex. Raimund Fromme und Christopher Gisriel der Arizona State University veröffentlichte in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen von Penn State die kristallographische Struktur dieses Proteinkomplexes in einer Juli-Ausgabe von Science haben Experten genau das entpackt, was es für die Evolution der Photosynthese bedeutet. "Es ist wirklich ein Fenster in die Vergangenheit", sagte Gisriel.

"Darauf haben wir seit 15 Jahren gewartet", sagte Nitschke

Gemeinsame Vorfahren

Zunächst glaubten die meisten Wissenschaftler nicht, dass alle Reaktionszentren, die heute in photosynthetischen Organismen vorkommen, möglicherweise einen gemeinsamen Vorfahren haben. Zwar ernten alle Reaktionszentren Energie vom Licht und verriegeln sie in einer Form, die für Zellen chemisch nützlich ist. Dazu führen die Proteine ​​Elektronen entlang einer Transferkette von Molekülen in einer Membran, als ob sie über eine Reihe von Sprungsteinen springen würden.

Die Reaktionssysteme des Photosystems lassen sich jedoch in Funktion und Struktur in zwei Kategorien unterteilen, die sich in fast jeder Hinsicht unterscheiden. Photosystem I dient hauptsächlich zur Herstellung des Energieträgers NADPH, während das Photosystem II ATP bildet und Wassermoleküle teilt. Ihre Reaktionszentren verwenden verschiedene lichtabsorbierende Pigmente und saugen verschiedene Teile des Spektrums auf. Elektronen fließen unterschiedlich durch ihre Reaktionszentren.

Beide Arten von Photosystemen kommen in Grünpflanzen, Algen und Cyanobakterien zusammen, um eine besonders komplexe Photosynthese-Photosynthese zu ermöglichen – das produziert Energie (in Form von ATP und Kohlenhydraten) sowie Sauerstoff, ein Nebenprodukt, das für viele Zellen toxisch ist. Die verbleibenden photosynthetischen Organismen, die alle Bakterien sind, verwenden nur eine Art von Reaktionszentrum oder die andere.

Es schien also, als ob zwei evolutionäre Bäume folgen würden – das war, bis der Kristall Strukturen dieser Reaktionszentren begannen Anfang der 1990er Jahre. Die Forscher sahen dann unbestreitbare Beweise dafür, dass die Reaktionszentren für die Photosysteme I und II einen gemeinsamen Ursprung hatten. Spezifische Arbeitskomponenten der Zentren schienen während der Evolution einige Substitutionen durchlaufen zu haben, aber das Gesamtstrukturmotiv an ihren Kernen war konserviert. "Es stellte sich heraus, dass große strukturelle Merkmale beibehalten wurden, aber Sequenzähnlichkeiten in den Nebeln der Zeit verloren wurden", sagte Bill Rutherford der Vorsitzende der Biochemie der Sonnenenergie am Imperial College London

"Die Natur hat kleine Spiele gespielt, um einige der Funktionen des Reaktionszentrums zu verändern, um die Mechanismen zu ändern, mit denen es funktioniert", fügte Redding hinzu. "Aber es hat das Playbook nicht umgeschrieben. Es ist, als ob man ein Plätzchen-Cutter-Design für ein Haus hätte, das gleiche Haus immer wieder neu bauen und dann ändern würde, wie die Räume angeordnet sind, wie die Möbel positioniert sind. Es ist dasselbe Haus, aber die Funktionen im Inneren sind unterschiedlich. "

Die Forscher begannen, detailliertere Vergleiche zwischen den Reaktionszentren vorzunehmen und nach Hinweisen über ihre Beziehung und deren Auseinanderwahl zu suchen.

Da es Mitte der 90er Jahre im Boden um Islands heiße Quellen herum entdeckt wurde, H. modesticaldum hat Forschern ein interessantes Stück des Photosynthese-Puzzles vorgestellt. Das einzige photosynthetische Bakterium in einer Familie mit Hunderten von Spezies und Gattungen, die Photosynthese-Ausrüstung von Heliobacteria, ist sehr einfach – was noch deutlicher wurde, als es 2008 sequenziert wurde. "Seine Genetik ist sehr optimiert", sagte Tanai Cardona Biochemiker am Imperial College London.

Robert Blankenship, ein Photosynthese-Forscher an der Washington University, befasst sich mit einer Flasche kultivierter Cyanobakterien. Die organisatorische Einfachheit von Heliobakterien, sagte er, "horcht auf eine frühere evolutionäre Zeit zurück."

Washington Universität in St. Louis

Heliobakterien haben perfekt symmetrische Reaktionszentren, verwenden eine Form von Bacteriochlorophyll, die sich von dem in den meisten Bakterien gefundenen Chlorophyll unterscheidet und nicht alle Funktionen erfüllen kann, die andere photosynthetische Organismen haben können. Zum Beispiel können sie kein Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle verwenden und sterben, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt werden. Tatsächlich dauerte ihre Struktur fast sieben Jahre, teilweise wegen der technischen Schwierigkeiten, die Heliobakterien von Sauerstoff isoliert zu halten. "Als wir anfingen, daran zu arbeiten", sagte Redding, "haben wir es mehr als einmal getötet.

Zusammengefasst:" Heliobakterien haben eine Einfachheit in ihrer Organisation, die im Vergleich zu den hochentwickelten Systemen überraschend ist Sie haben in Pflanzen und anderen Organismen ", sagte Robert Blankenship eine führende Persönlichkeit in der Photosyntheseforschung an der Washington University in St. Louis. "Es ist eine frühere evolutionäre Zeit."

Seine Symmetrie und andere Merkmale "stellen etwas ganz Abgeschlagenes dar", fügte Redding hinzu, "etwas, was wir denken, ist näher an dem, was das angestammte Reaktionszentrum hätte sah vor drei Milliarden Jahren aus. "

Ein Blick in die Vergangenheit

Nach sorgfältiger Aufnahme der kristallisierten Reaktionszentren stellte das Team fest, dass das Reaktionszentrum zwar offiziell als Typ I klassifiziert wird, es schien mehr ein Hybrid der beiden Systeme zu sein. "Es ist weniger wie das Photosystem I, als wir dachten", sagte Redding. Manche Menschen nennen das Gisriel sogar "Typ 1.5"

Ein Grund für diese Schlussfolgerung sind fettige Moleküle, die Chinone genannt werden und die helfen, Elektronen in photosynthetischen Reaktionszentren zu übertragen. Jedes bisher untersuchte Reaktionszentrum verwendet an einem bestimmten Punkt des Elektronentransferprozesses gebundene Chinone als Zwischenprodukte. Im Photosystem I sind die Chinone an beiden Seiten fest gebunden; im Photosystem II sind sie auf einer Seite fest gebunden, aber auf der anderen locker gebunden. Im Heliobakterium-Reaktionszentrum ist das jedoch nicht der Fall: Redding, Fromme und Gisriel fanden keine dauerhaft gebundenen Chinone unter den Trittsteinen der Elektronentransferkette. Das bedeutet höchstwahrscheinlich, dass seine Chinone, obwohl sie immer noch am Empfang von Elektronen beteiligt sind, mobil sind und durch die Membran diffundieren können.

Raimund Fromme, Christopher Gisriel und Kevin Redding (von links nach rechts) sind Forscher in der Schule der Molekularwissenschaften an der Arizona State University. Mit Kollegen an der Pennsylvania State University haben sie vor kurzem die kristallographische Struktur des energieproduzierenden Reaktionszentrums im einfachsten bekannten photosynthetischen Bakterium bestimmt.

Arizona State University

Diese Erkenntnis hat dazu beigetragen, dass das Forschungsteam ableitete, was die frühen Reaktionszentren getan haben könnten. "Ihre Aufgabe war wahrscheinlich, mobile Chinone zu reduzieren", sagte Redding. "Aber sie haben es nicht sehr gut gemacht." Im Szenario der Forscher sind dicht gebundene Chinon-Zentren eine neuere Adaption, und die heutigen Typ-I- und Typ-II-Reaktionszentren stellen alternative evolutionäre Strategien dar, die von verschiedenen Abstammungslinien

"Aber dann ist die Frage, warum hat die Natur das geändert eine Art Elektronenübertragungskette? «fragte Fromme. Seine Arbeit stützt die Hypothese, dass es etwas mit Sauerstoff zu tun haben könnte.

Wenn ein Organismus zu viel Licht ausgesetzt wird, bilden sich Elektronen in der Übertragungskette. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, kann dieser Aufbau zu einem schädlich reaktiven Sauerstoffzustand führen. Das Hinzufügen eines fest gebundenen Chinons zum Komplex bietet nicht nur einen zusätzlichen Slot, um potenzielle Staus zu bewältigen. das Molekül, im Gegensatz zu anderen, die in der Übertragungskette verwendet werden, stellt auch kein Risiko dar, diese schädliche Form von Sauerstoff zu erzeugen. Gisriel fügte hinzu: "Dies hätte auch mehr Trittsteine ​​hinzugefügt, die ebenfalls gegen Schäden durch Akkumulation zu vieler Elektronen gepuffert wären.

Einer der die nächsten Schritte der Forscher sind, Zeitstempel zu setzen, wenn diese Asymmetrie und diese eng gebundenen Chinone ins Bild kamen, was ihnen helfen würde, zu bestimmen, wann die sauerstoffspezifische Photosynthese möglich wurde.

Alle Wege führen zu Sauerstoff

Cardona, der nicht an der jüngsten Studie beteiligt war, aber mit der Interpretation seiner Ergebnisse begonnen hat, denkt, dass er möglicherweise einen Hinweis im Heliobakterium-Reaktionszentrum gefunden hat. Ihm zufolge scheint der Komplex strukturelle Elemente zu haben, die später während der Photosynthese zur Produktion von Sauerstoff führen würden, auch wenn dies nicht ihr ursprünglicher Zweck war. Er stellte fest, dass eine bestimmte Bindungsstelle für Calcium in der Struktur der Heliobakterien mit der Position des Manganclusters im Photosystem II identisch war, wodurch es möglich wurde, Wasser zu oxidieren und Sauerstoff zu produzieren. [19459907]

Tanai Cardona, eine Biochemikerin am Imperial College London, vermutet, dass Zellen möglicherweise durch Photosynthese für eine Milliarde Jahre länger Sauerstoff produziert haben, als es Wissenschaftler normalerweise vermuten lassen.

Imperial College London

"Wenn die Vorfahren [calcium] zu einem späteren Zeitpunkt in den Manganhaufen verwandelt wurde", sagte Cardona, Ereignisse in der Divergenz zwischen Typ-I- und Typ-II-Reaktionszentren. "Dies würde wiederum bedeuten, dass die sauerstoffhaltige Photosynthese viel älter ist als erwartet. Wissenschaftler vermuteten, dass kurz vor dem Ereignis der Großen Oxygenierung die oxygene Photosynthese auftauchte, als sich Sauerstoff in der Erdatmosphäre anreicherte und vor 2,3 bis 2,5 Milliarden Jahren ein Massensterben auslöste. Wenn Cardona Recht hat, könnte es sich fast eine Milliarde Jahre früher entwickelt haben, kurz nachdem die Photosynthese ihr Debüt gemacht hat.

Dieses Timing wäre früh genug gewesen, um die Cyanobakterien vorherzusagen, oxygenische Photosynthese. Laut Cardona könnten viele Bakterien das tun, aber nach Mutationen, Divergenzen und anderen Ereignissen behielten nur Cyanobakterien die Fähigkeit bei. (Cardona veröffentlichte in diesem Jahr eine Arbeit in der er andere molekulare Beweise für diese Hypothese zitiert. Beiträge auf seiner Website und auf einer wissenschaftlichen Vernetzungsstelle für Forscher und er begann vor kurzem an einem Papier darüber zu arbeiten.)

Diese Hypothese widerspricht einer der gehaltene Ideen über die Ursprünge der Photosynthese: Dass photosynthetische Spezies plötzlich die Kapazität durch Gene erlangten, die seitlich von anderen Organismen weitergegeben wurden. Laut Cardona könnten angesichts der neuen Entdeckungen sowohl der horizontale Gentransfer als auch der Genverlust eine Rolle bei der Diversifizierung der Reaktionszentren gespielt haben, obwohl er vermutet, dass dieser für die frühesten Ereignisse verantwortlich sein könnte. Der Befund, so sagte er, könnte darauf hindeuten, dass "das Gleichgewicht auf die Gen-Verlust-Hypothese zuschlägt" – und zu der Vorstellung, dass die Photosynthese eine Vorläufercharakteristik sei, die einige Bakteriengruppen im Laufe der Zeit verloren haben.

sicher. Blankenship ist zum einen skeptisch. "Ich kaufe das nicht", sagte er. "Ich sehe hier keine Daten, die nahelegen, dass die sauerstoffhaltige Photosynthese schon früher stattgefunden hat." Für ihn hat die Arbeit von Redding, Fromme und ihren Mitarbeitern diese Fragen nicht beantwortet; es hat nur vermutet, was geschehen ist. Um dieses Rätsel zu lösen, werden die Wissenschaftler die Reaktionszentrumsstrukturen anderer Bakterien benötigen, um die strukturellen Unterschiede und Ähnlichkeiten der verwickelten Wurzeln ihrer evolutionären Bäume weiter zu evaluieren.

"Ich halte es durchaus für möglich, was [Cardona] sagt, ist richtig ", sagte Gisriel," aber ich denke auch, dass das Feld für eine Weile mit ihm sitzen sollte, weitere Analysen machen und sehen, ob wir mehr darüber wissen, wie diese Struktur funktioniert. "

Auf der Syntheseroute

Einige Forscher warten nicht auf die Veröffentlichung der nächsten Struktur. Dieser hat sieben Jahre gedauert. Sie verfolgen stattdessen synthetisches Experimentieren.

Rutherford und seine Kollegen verwenden zum Beispiel eine "reverse evolution" -Technik: Sie hoffen, die Sequenzen fehlender Linkreaktionszentren vorherzusagen, indem sie Strukturinformationen wie Redding's Verständnis für ihre Architektur gewinnen.

In der Zwischenzeit haben Redding und sein Team gerade damit begonnen, das symmetrische Reaktionszentrum von Heliobakterien künstlich in ein asymmetrisches umzuwandeln, was in die Fußstapfen von zwei Forschern getreten ist in Japan Hirozo Oh-Oka von der Universität Osaka und Chihiro Azai von der Ritsumeikan Universität, die mehr als ein Jahrzehnt damit verbracht haben, dies in einer anderen Art von photosynthetischem Bakterium zu tun. Die Gruppen glauben, dass ihre Arbeit klären wird, wie sich diese Anpassungen im wirklichen Leben in ferner Vergangenheit vollzogen hätten.

Vor zwanzig Jahren hörte Nitschke auf, an der Evolution der Photosynthese zu arbeiten und wandte sich anderen Problemen zu. "Es schien so hoffnungslos", sagte er. Aber die Forschung von Redding, seinem Team und diesen anderen Gruppen hat diese Ambitionen wieder neu entfacht. "Wie du sagst, deine erste Liebe bleibt immer bei dir", sagte Nitschke. "Ich bin sehr aufgeregt über diese neue Struktur und habe vor, all das wieder zu bedenken."

Originalgeschichte Nachdruck mit Genehmigung von Quanta Magazine

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