Molekularer pH-Dimmer in Cryptophyten-Algen entdeckt

In einer gemeinsamen interdisziplinären Studie haben Forschende der Constructor University und der Princeton University einen molekularen Steuerungsmechanismus in Cryptophyten-Algen identifiziert. Die einzelligen, photosynthetisch aktiven Organismen nutzen diesen Mechanismus in lichtarmen Unterwasserumgebungen, um ihre Lichtausbeute auf Molekülebene dynamisch zu regulieren. Der im Proteinkomplex PC645 lokalisierte Regulierungsapparat reagiert auf Fluktuationen des intrazellulären pH-Werts und steuert die Energielimitierung beziehungsweise -aufnahme über spezifische Pigmentmoleküle. Diese fundamentalen Erkenntnisse könnten künftig Anwendungen in der klimaangepassten Agrarwirtschaft sowie der pharmazeutischen Forschung eröffnen.

pH-sensitive Regulierung der Lichteffizienz durch Mesobiliverdine

Der Proteinkomplex PC645 ermöglicht es den Algen, schwaches, blau-grünes Unterwasserlicht über spezialisierte lichtsammelnde Pigmente effizient zu absorbieren. Da der pH-Wert im Zellinneren während der Photosynthese stark schwankt, fungieren sogenannte Mesobiliverdine (MBVs) innerhalb des Komplexes als pH-sensitive Regulatoren. Die MBVs modulieren die Effizienz der Lichtsammlung in Abhängigkeit von den pH-Schwankungen. Trotz der Identifikation dieses Steuerungsprinzips bleibt dessen biologischer Primärzweck Gegenstand weiterer Analysen.
„Wir haben zwar den Dimmer gefunden, aber wir wissen eigentlich noch nicht, wofür er da ist“, erklärt Professor Dr. Ulrich Kleinekathöfer. „Wir wissen jetzt, dass es einen Mechanismus gibt, der dynamisch auf pH-Veränderungen reagiert, und wir haben einige Ideen und Annahmen über seinen Zweck, aber es werden weitere Untersuchungen erforderlich sein.“

Methodik: Symbiose aus In-silico-Modellierung und Spektroskopie

Die Methodik der Studie kombiniert computersimulatorische Präzision mit experimenteller Validierung. Die Computational Physics and Biophysics Group von Prof. Kleinekathöfer modellierte das Molekularverhalten der MBV-Pigmente unter variierenden pH-Bedingungen mittels komplexer Simulationen. Das experimentelle Team der Princeton University unter Leitung von Prof. Gregory Scholes verifizierte diese In-silico-Vorhersagen mittels Spektroskopie.

Dabei zeigte sich, dass pH-Veränderungen die Schwingungseigenschaften der MBV-Pigmente modifizieren. Dies führt zu einer Zu- oder Abnahme der Energietransferraten um einen Faktor von zwei bis drei: Steigende pH-Werte drosseln die Lichtsammeleffizienz, während sinkende pH-Werte sie steigern. Die quantitativ reproduzierten Modelle zeigten bei hohem pH-Wert eine Fluoreszenzlöschung (Quenching) von etwa 40 bis 50 %. Strukturelle Vergleiche verwandter Proteinkomplexe deuten darauf hin, dass dieser Konservierungsmechanismus eine universelle Anpassungsstrategie photosynthetischer Organismen an Umweltveränderungen darstellen könnte.

Potentiale für Agrarbiotechnologie und Biomedizin

Eine gezielte Steuerung dieses Phänomens eröffnet biotechnologische Perspektiven zur Ertragssteigerung unter veränderten Klimabedingungen sowie zur Entwicklung neuer pharmazeutischer Wirkprinzipien. „Wenn wir den Mechanismus verstehen und Wege finden, ihn zu modifizieren, könnte dies eines Tages in biomedizinischen oder pharmazeutischen Anwendungen verwendet werden, oder um beispielsweise Ernteerträge als Reaktion auf unser sich veränderndes Klima anzupassen“, sagt Kleinekathöfer. „Menschen können gegenüber genetischen Modifikationen misstrauisch sein, weil sie Anpassungen sofort einführen können, für die die Natur normalerweise eine sehr lange Zeitspanne benötigen würde. Aber wir leben auch in einer Zeit, in der unser sich veränderndes Klima schnelle Veränderungen in unserer Umwelt verursacht. In der Lage zu sein, diese Art von Modifikationen und Anpassungen zu erleichtern, könnte ein hilfreiches oder sogar notwendiges Werkzeug sein, um auf die Art von großen Herausforderungen zu reagieren, denen wir aufgrund unseres sich verändernden Klimas begegnen.“

Quantenbiologische Forschung und akademische Nachwuchsförderung

Die Arbeit liefert zugleich tiefere Einblicke in die Quantenbiologie, die das Auftreten von Quantenphänomenen in biologischen Systemen an den Schnittstellen von Physik, Chemie und Biologie untersucht.

„Als theoretischer Physiker ist es sehr lohnend zu sehen, wie Biologie, Chemie und Physik zusammenarbeiten, um uns neues Verständnis von und neue Perspektiven auf unsere natürliche Welt zu geben“, sagt Prof. Kleinekathöfer. „Wenn wir wirklich mittendrin sind, können die Grenzen zwischen den Feldern vollständig verschwimmen, was es zu einem so aufregenden Forschungsbereich macht.“

Neben der Kooperation mit Princeton evaluiert die Arbeitsgruppe von Prof. Kleinekathöfer quantenbiologische Prozesse auch im Rahmen des EU-geförderten Doktorandinnen-Netzwerks PhotoCaM (Budget: 2,6 Millionen Euro). Das Netzwerk bildet Spezialistinnen an der Schnittstelle von Computational Science und molekularer Photosyntheseforschung aus und stärkt die Position der Constructor University in diesem Forschungsfeld.

Quelle

Informationsdienst Wissenschaft e. V. Constructor University (08/2026)