In den Phlegräischen Feldern, einer vulkanischen Region in Italien, gedeiht eine mikroskopisch kleine Alge namens
Cyanidioschyzon merolae unter extremen Bedingungen. Forscher der Michigan State University untersuchen ihren einzigartigen Mechanismus zur Kohlenstoffkonzentration, eine Entdeckung, die unser Verständnis der Photosynthese revolutionieren könnte.
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Diese Alge,
C. merolae, gedeiht in sauren heißen Quellen, einer Umgebung, die für die meisten Lebensformen feindlich ist. Wissenschaftler untersuchen, wie dieser Organismus unter solchen Bedingungen Photosynthese betreibt, und bieten damit neue Einblicke in diesen lebenswichtigen Prozess.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Berkley Walker hat seine Ergebnisse in
Plant Physiology veröffentlicht. Sie entwickelten ein mathematisches Modell, um den Mechanismus der Kohlenstoffkonzentration von
C. merolae zu simulieren, ein wertvolles Werkzeug für zukünftige Studien.
Anne Steensma, Co-Hauptautorin der Studie, erklärt, dass
C. merolae eine vereinfachte Version des Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus besitzt. Diese Einfachheit ermöglicht es den Forschern, die wesentlichen Elemente dieses Prozesses zu identifizieren.
Die Zusammenarbeit mit der Abteilung für Statistik und Wahrscheinlichkeit der Universität war entscheidend. Gemeinsam verfeinerten sie das Modell, um das tatsächliche Verhalten der Alge bestmöglich abzubilden, und ebneten so den Weg für virtuelle Experimente.
Dieses Modell ermöglicht es Wissenschaftlern, verschiedene Bedingungen an
C. merolae zu testen, wie etwa die Entfernung bestimmter Teile ihres Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus. Diese virtuellen Experimente helfen zu verstehen, welche Elemente für die Photosynthese unverzichtbar sind.
Modell der Flüsse und Speicher von gelöstem anorganischem Kohlenstoff (CO₂, HCO₃⁻) und Sauerstoff (O₂) in verschiedenen Zellkompartimenten. Enzymatische Flüsse sind durch Kreise dargestellt, und bestimmte Prozesse wie die Photorespiration (PR) und die Lichtatmung (RL) sind spezifiziert. Alle Flüsse sind reversibel, außer denen, die mit der Produktion oder dem Verbrauch von Materie verbunden sind.
Berkley Walker plant, dieses Wissen zu nutzen, um die Photosynthese in anderen Organismen zu verbessern. Diese Forschung könnte erhebliche Auswirkungen auf die nachhaltige Landwirtschaft haben, indem sie die Effizienz der Lichtumwandlung in Energie erhöht.
Was ist der Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus?
Der Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus (CCM) ist ein biologischer Prozess, der von einigen photosynthetischen Organismen genutzt wird, um die Effizienz der Photosynthese zu steigern. Er funktioniert, indem er Kohlendioxid um das Enzym Rubisco konzentriert, das den ersten Schritt der Kohlenstofffixierung katalysiert.
Unter normalen Bedingungen kann Rubisco Sauerstoff anstelle von CO₂ binden, ein ineffizienter Prozess, der als Photorespiration bezeichnet wird. Der CCM minimiert diesen Verlust, indem er die CO₂-Konzentration um Rubisco erhöht und so die Effizienz der Photosynthese verbessert.
Landpflanzen haben komplexe Strukturen für ihren CCM entwickelt. Algen wie
C. merolae nutzen einfachere Mechanismen, die einen einzigartigen Einblick in die Evolution der Photosynthese bieten. Die Untersuchung von
C. merolae ermöglicht es Wissenschaftlern, die wesentlichen Elemente des CCM zu verstehen.
Warum extremophile Organismen untersuchen?
Extremophile Organismen wie
C. merolae leben in Umgebungen, die für die meisten Lebensformen als feindlich gelten. Diese Organismen haben einzigartige Anpassungen entwickelt, um bei hohen Temperaturen, extremen pH-Werten oder hohen Konzentrationen von Schwermetallen zu überleben.
Die Untersuchung dieser Organismen liefert wertvolle Erkenntnisse über die Grenzen des Lebens und die biologischen Mechanismen, die das Überleben unter extremen Bedingungen ermöglichen. Diese Kenntnisse können in verschiedenen Bereichen angewendet werden, von der Biotechnologie bis zur Astrobiologie.
Zum Beispiel könnte das Verständnis, wie
C. merolae in sauren heißen Quellen Photosynthese betreibt, Methoden inspirieren, um die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen gegenüber Umweltstress wie Dürre oder Salzgehalt zu verbessern.
Darüber hinaus haben Enzyme und andere Moleküle, die von Extremophilen produziert werden, industrielle Anwendungen, wie in der Herstellung von Biokraftstoffen oder der Behandlung von toxischen Abfällen. Diese Organismen sind daher eine wertvolle Ressource für die wissenschaftliche und technologische Forschung.
Quelle: Plant Physiology