Chlorophyll, Mangan und Sonnenlicht: Wie entsteht atmosphärischer Sauerstoff?

Dr. Jan-Michael Schuller, Leiter der Forschergruppe „Molekulare Maschinen“ am Zentrum für synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) und dem Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg, erhält Förderung von der Daimler und Benz Stiftung

Die moderne Ausstattung des auf den Lahnbergen neu errichteten „Forschungszentrums Synthetische Mikrobiologie“ macht es möglich: Mithilfe eines neuen Verfahrens, der Kryo-Elektronenmikroskopie, ist Dr. Jan-Michael Schuller zusammen mit seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern dabei, das Rätsel der Wasserspaltung zu lösen. Pflanzen und Algen sind es, die auf unserem Planeten dafür sorgen, dass genügend Sauerstoff zum Atmen entsteht. Der gasförmige Sauerstoff stammt aus Wassermolekülen, die in den grünen Organismen unter Einsatz einer hochkomplexen molekularen Maschine, dem Photosystem II, in O2, Elektronen und Protonen (H+) zerfallen. An der Spaltung beteiligt sind Chlorophyll, Proteine und Mangan. Das Photosystem fängt Sonnenlicht ein und nutzt dessen Energie, um den Wasserspaltungsprozess einzuleiten. Dieses Wissen ist fester Bestandteil von Lehrbüchern, Einzelheiten jedoch sind immer noch nicht aufgeklärt – es fehlt der tiefe Blick in den atomaren Aufbau. Vor allem ungeklärt ist, wie die Zelle das Mangan in das Proteinumfeld eingebaut wird.

Dies wird nun ermöglicht durch ein hochauflösendes Kryo-Elektronenmikroskop, das zurzeit im SYNMIKRO-Neubau in Betrieb genommen wird. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler isolieren Photosystem Vorläufermoleküle aus photosynthetischen Bakterien, werden die Reifung des Wasserspaltzentrums im Reagenzglas nachstellen und schließlich die Einzelschritte wie in einem Film zu visualisieren. Umständliches, wenn überhaupt mögliches Kristallisieren des Photosystem II-Proteinkomplexes mit anschließender Bestrahlung durch Röntgen- oder Synchroton-Strahlung ist nicht nötig: Die „molekulare Maschine“ kann unter Tiefsttemperatur im Elektronenmikroskop direkt abgebildet werden – und zwar im Maßstab von Nanometern, das sind Millionstel Millimeter.

Mit der Kenntnis über die Entstehung und den Aufbau des Photosystems II sind zukünftige synthetisch-biologische Verfahren möglich, die sich dieser „Erfindung der Natur“ zum Nutzen der Menschheit und für den Erhalt unserer Umwelt bedienen können.

Die Förderung umfasst 40.000 EUR. Die Forschergruppe um Dr. Schuller wird seit Juli 2020 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen ihres „Emmy-Noether-Förderprogramms“ für junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit einem Gesamtvolumen von rund 1,55 Mio EUR für 6 Jahre finanziert. Für die Spezialgeräteausstattung des SYNMIKRO Forschungszentrums haben Bund und Länder insgesamt 5,35 Mio EUR zur Verfügung gestellt.

Dr. Schuller studierte Biochemie an der Universität Tübingen und promovierte 2016 an der Technischen Universität München (TUM). Anschließend forschte er am Max-Planck-Institut für Biochemie in München/Martinsried in der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Dr. Elena Conti.

 

PSII + OEX

Das Photosystem II katalysiert die lichtabhängige Wasserspaltung und produziert in einer einzigartigen chemischen Reaktion Sauerstoff. Diese Reaktion wird durch einen ungewöhnlichen Metall-Cofaktor katalysiert, der Mangan-, Calcium- und Sauerstoffatome enthält. Die Daimler-Benz-Stiftung unterstützt unser Forschungsprojekt, die Biogenese dieses einzigartigen Wasseroxidationszentrums mechanistisch zu verstehen und im Reagenzglas zu nachzubauen.

SYNMIKRO Young Researchers Groups

Almost all scientific members of SYNMIKRO are actively involved in DFG’s Collaborative Research Centers (Sonderforschungsbereiche), Research Training Groups (Graduiertenkollegs), or other Cooperative Research projects. Alongside performing adventurous experiments, and reporting excellent science, SYNMIKRO substantially promotes potential Young Research Group Leaders by constantly keeping its doors open to welcome and support Young Researchers planning to set up an Independent Research Group.
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