Mikroalgen, winzig aber entscheidend für das Klimasystem, haben ein neues Geheimnis preisgegeben.
Ein Forscherteam unter Leitung des BIAM (CEA/CNRS/Aix-Marseille Université) hat entdeckt, dass zwei Schlüsselprozesse der Photosynthese – der CO₂-Konzentrationsmechanismus und die Photorespiration – Hand in Hand arbeiten und nicht, wie bisher angenommen, im Widerspruch zueinander stehen. Diese bahnbrechende Erkenntnis verbessert unser Verständnis der Kohlenstoffflüsse im Zusammenhang mit dem Klimawandel und könnte der Bioökonomie zugutekommen.
Mikroalgen, diese winzigen photosynthetischen Organismen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Klimaregulierung, indem sie fast die Hälfte des atmosphärischen Kohlendioxids (CO₂) aufnehmen, das jährlich in die Ökosysteme gelangt. Durch Photosynthese binden sie CO₂ und wandeln es unter Nutzung von Licht als Energiequelle in Biomasse um. Auf geologischen Zeitskalen, als CO₂ knapper wurde, entwickelten diese Organismen jedoch CO₂-Konzentrationsmechanismen, um die Photorespiration zu begrenzen. Die genauen Anpassungsmechanismen waren bislang jedoch kaum verstanden.
Eine in Nature Communications veröffentlichte Studie stellt nun die Beziehung zwischen diesen beiden Phänomenen infrage. Bisher ging man davon aus, dass Mikroalgen CO₂ konzentrieren, um die Photosynthese zu optimieren und gleichzeitig die Photorespiration zu "deaktivieren". Doch ein Forschungsteam des CEA in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut in Potsdam, Deutschland, und vier weiteren Laboren hat gezeigt, dass diese beiden vermeintlich gegensätzlichen Mechanismen zusammenarbeiten und es den Mikroalgen ermöglichen, bei CO₂-Mangel zu überleben.
Ein Protein im Zentrum des Prozesses
Die Forscher identifizierten ein Protein (LCI20) als zentralen Regulator. Dieses Protein, das in der Hülle des Chloroplasten (ein Zellorganell, das eine grundlegende Rolle bei der Photosynthese spielt) vorkommt, fördert das Gleichgewicht zwischen beiden Stoffwechselwegen und ermöglicht es den Algen, toxische Nebenprodukte der Photorespiration auszuscheiden. Ohne dieses Protein können sich Mikroalgen nicht an einen plötzlichen Übergang zu einer CO₂-armen Umgebung anpassen. Die Forscher beobachteten eine toxische Anreicherung von Metaboliten, die das Wachstum hemmt – ein Beweis für die entscheidende Rolle von LCI20 im gesamten Stoffwechselgleichgewicht.
"Diese Wechselwirkung zwischen Photosynthese und Photorespiration zeigt, wie fein abgestimmt Mikroalgen auf ihre Umwelt reagieren. Es handelt sich um eine viel komplexere Akklimatisierungsstrategie, als wir bisher dachten",
erklären Yonghua Li-Beisson und Gilles Peltier, Mitentdecker des Mechanismus.
Auswirkungen auf Klima und Bioökonomie
Diese Forschung revolutioniert unser Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs in den Ozeanen. Neben den ökologischen Implikationen könnten diese Erkenntnisse folgende Bereiche voranbringen:
- die Bioökonomie, indem das Gleichgewicht zwischen CO₂ und O₂ in Bioreaktoren optimiert wird, um die Produktion von Biomasse oder wertvollen Verbindungen (Biokraftstoffe, Proteine, Pharmazeutika) zu steigern;
- die Klimamodellierung, durch eine genauere Berücksichtigung des Beitrags von Mikroalgen zum globalen Kohlenstoffkreislauf;
Der nächste Schritt? Die Erforschung dieses metabolischen Zusammenspiels bei anderen ökologisch oder industriell relevanten Meeresmikroalgen, um besser zu verstehen, wie sie auf Umweltveränderungen reagieren – eine entscheidende Frage in Zeiten des Klimawandels.
Quelle: CEA