Wie Kieselalgen CO2 so effektiv binden können
Von: Heike Sacher
Winzige Kieselalgen im Ozean sind Meister darin, Kohlendioxid (CO2) aus der Umwelt zu binden. Sie speichern bis zu 20 Prozent des CO2 auf der Erde. Ein Team der Universität Basel hat nun in genau diesen Algen eine Proteinhülle entdeckt, die für eine effiziente CO2-Fixierung sorgen. Diese grundlegende Entdeckung kann neue Ideen für biotechnische Ansätze liefern, um so das CO2 in der Atmosphäre zu reduzieren.
Auf einem Kupfer-Gitter festgefrorene Kieselalgen, entstanden bei der Probenvorbereitung für die Kryo-Elektonentomographie. (Foto: Benoit Gallet, Martin Oeggerli (Micronaut))
Kieselalgen sind so klein, dass man sie mit dem blossen Auge nicht sehen kann. Und doch sind sie eine der produktivsten Algenarten im Ozean und spielen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Durch Fotosynthese absorbieren sie grosse Mengen aus der Umwelt und wandeln es in Nährstoffe um, mit denen sie einen Grossteil des Lebens im Ozean ernähren. Trotz ihrer Bedeutung ist wenig darüber bekannt, wie sie diesen Prozess so effizient durchführen.
Forschende um Prof. Dr. Ben Engel am Biozentrum der Universität Basel haben nun gemeinsam mit Forschenden der University of York, Grossbritannien, und der Kwansei-Gakuin University, Japan, eine Proteinhülle entdeckt, die bei der CO2-Fixierung der Kieselalgen eine Schlüsselrolle spielt.
Mithilfe modernster bildgebender Technologien wie der Kryoelektronenmikroskopie (Kryo-EM) konnten die Forschenden die molekulare Architektur der sogenannte PyShell-Proteinhülle aufklären und ihre genaue Funktionsweise entschlüsseln. Die Ergebnisse sind in zwei Studien in «Cell» veröffentlicht.
Effektive CO2-Fixierung durch PyShell
Fotosynthese findet in Pflanzen und Algen statt, genauer gesagt in ihren Chloroplasten, wo die Energie der Sonne von den sogenannten Thylakoidmembranen gesammelt wird. Die Energie wird dann verwendet, um dem Enzym Rubisco bei der Fixierung von CO2 zu helfen.
Algen haben dabei einen Vorteil: Sie packen ihr gesamtes Rubisco in kleine Kompartimente, sogenannte Pyrenoide, in denen das CO2 effizienter gebunden werden kann: «Wir haben jetzt herausgefunden, dass die Pyrenoide der Kieselalgen von einer gitterartigen Proteinhülle umgeben sind», sagt Dr. Manon Demulder, Mitautorin beider Studien. «Diese PyShell verleiht dem Pyrenoid nicht nur seine Form, sondern sorgt auch für eine hohe CO2-Konzentration in diesen Kompartimenten. Dadurch können die Rubiscoproteine effizient CO2 aus dem Ozean binden und in Nährstoffe umwandeln.»
Als die Forschenden die PyShell-Proteinhülle in den Algen entfernten, konnten diese das CO2 deutlich schlechter binden. Die Photosynthese war weniger effizient und das Zellwachstum verringerte sich. «Das hat uns gezeigt, wie wichtig die PyShell für eine effiziente CO2-Fixierung ist – ein Prozess, der für das Leben im Ozean und das globale Klima von entscheidender Bedeutung ist», sagt Manon Demulder.
Biotechnologie zur CO2-Reduktion?
Die Entdeckung der PyShell könnte auch vielversprechende Wege für die biotechnologische Forschung zur Bekämpfung des Klimawandels eröffnen – einer der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit. «In erster Linie müssen wir Menschen unseren CO2-Ausstoss reduzieren, um das Tempo des Klimawandels zu verlangsamen. Dies erfordert sofortiges Handeln», sagt Ben Engel.
«Das CO2, das wir jetzt ausstossen, wird noch Jahrtausende in unserer Atmosphäre verbleiben. Wir hoffen, dass Entdeckungen wie die der PyShell dazu beitragen können, neue biotechnologische Anwendungen anzuregen, die die Fotosynthese verbessern und mehr CO2 aus der Atmosphäre binden. Dies sind langfristige Ziele, aber angesichts der Irreversibilität der CO2-Emissionen ist es wichtig, dass wir jetzt Grundlagenforschung betreiben, um mehr Möglichkeiten für zukünftige Innovationen zur Kohlenstoffabscheidung zu eröffnen.»
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