Photosynthese ist mit nur einem Photosystem möglich

Ein Forschungsteam der LMU widerlegte ein grundlegendes Paradigma der Biologie. Sie wiesen erstmals eine sauerstoffbildende Photosynthese mit nur einem einzigen Photosystem nach. Bisher galt in der Fachliteratur das Dogma der zwingenden Notwendigkeit zweier Photosysteme. Die neuen Ergebnisse zeigen jedoch, dass dieses Prinzip nicht universell gültig ist. „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. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Natur deutlich flexibler ist, als wir bislang angenommen haben.“ Die photosynthetische Spaltung von Wasser liefert den atmosphärischen Sauerstoff. Sie bildet die energetische Basis fast aller trophischen Ketten.

Bisher wurde die solare Energieumwandlung in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien ausschließlich dem Zusammenspiel der Photosysteme I und II zugeschrieben. Dieses Zweisystem-Modell galt seit über 50 Jahren als unumstößlich.

Zufallsbefund durch adaptive Labor-Evolution

Die Entdeckung der alternativen Route beruht auf einem Zufallsbefund. Die Forschenden planten ursprünglich den Einbau eines pflanzlichen Photosystems I in das Cyanobakterium Synechocystis. Mittels Gentechnik und adaptiver Labor-Evolution selektierte das Team jedoch Mutanten. Diesen Organismen fehlte das Photosystem I vollständig.
„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 isolierten Cyanobakterienstämme betreiben trotz des Defekts eine vollständige sauerstoffbildende Photosynthese. Sie widerlegen damit die essenzielle Rolle von Photosystem I für die NADPH-Generierung.

Umorganisation des photosynthetischen Elektronentransports

Das Team identifizierte den zellulären Kompensationsmechanismus der Bakterien. Mehrere evolutionäre Modifikationen reorganisieren den photosynthetischen Elektronentransport grundlegend. Ein starker Protonengradient treibt den NDH-1-Komplex in reversibler Richtung an. Dadurch wird das benötigte Reduktionsmittel NADPH generiert. Diese metabolische Funktion wurde bisher exklusiv dem Photosystem I zugeschrieben.

Evolutionäre und biotechnologische Implikationen

Die Entdeckung verändert das Verständnis der Photosynthese-Evolution grundlegend. Selbst intensiv erforschte biologische Prozesse bergen grundlegende Überraschungen. Die Daten eröffnen neue Ansätze zur Evolution und Plastizität photosynthetischer Apparate. Langfristig ermöglicht dies die Entwicklung effizienterer photosynthetischer Systeme für biotechnologische Anwendungen. „Unsere Arbeit erinnert daran, dass selbst scheinbar unumstößliche Lehrbuchkonzepte durch neue experimentelle Befunde infrage gestellt werden können. Genau das macht Grundlagenforschung so spannend“, sagt Leister.

Quelle

Ludwig-Maximilians-Universität München (07/2026)