Wir freuen uns über die großzügige Förderung unserer Forschungsgruppe durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und den Schweizerischen Nationalfonds (SNF). Von 2023 bis 2027 wird DFG FOR 5573 - GoPMF die dynamische Regulation der protonenmotorischen Kraft (PMF) in der Photosynthese erforschen.
Die protonenmotorische Kraft (PMF) bildet das Herzstück des Energiestoffwechsels und treibt eine Vielzahl zellulärer Prozesse an. Sie ist ein universelles Phänomen, vergleichbar mit dem genetischen Code, und hat im Verlauf der Evolution eine bedeutende Rolle gespielt. Die PMF ist ein elektrochemischer Gradient über eine Membran, der in der Regel durch die koordinierte Aktivität mehrerer Membranprotein-Komplexe erzeugt wird. Sie dient dazu, die Energieumwandlung von molekularen Identitäten und stöchiometrischen Beschränkungen zu trennen und ermöglicht so die nahtlose Integration verschiedener zellulärer Prozesse. Diese einzigartige Eigenschaft hat wesentlich zum Erfolg der PMF beigetragen.
Obwohl die PMF eine bemerkenswerte Flexibilität aufweist, muss sie auch eine strikte Zuverlässigkeit aufrechterhalten, um zelluläre Strukturen zu erhalten und biochemische Reaktionen zu ermöglichen. Um eine konstante Energieversorgung unter variablen Bedingungen zu gewährleisten, müssen Umwelt- und physiologische Reize in die Regulation der PMF integriert werden. Trotz intensiver Forschung zur PMF ist unser Verständnis ihrer regulatorischen Strategien noch unvollständig.
Fortschritte in der funktionellen Bildgebung und Biosensor-Techniken haben neue grundlegende Erkenntnisse über die mitochondrielle PMF enthüllt. Diese Entdeckungen haben begonnen, unser bisheriges Verständnis der bioenergetischen Dynamik in Frage zu stellen. Ähnliche Erkenntnisse fehlen jedoch für die oxygene Photosynthese. Die Untersuchung der PMF im Kontext der Photosynthese eignet sich besonders gut, um die zugrunde liegenden Prinzipien ihrer Dynamik zu verstehen, da die Photosynthese in natürlichen Umgebungen aufgrund schwankenden Lichts besonders anfällig für schnelle externe Veränderungen ist.
Das Ziel dieser Forschungsgruppe (GoPMF) ist es, konzeptionelle Rahmenbedingungen für das Verständnis der Regulation von PMF-Erzeugung und -Modulation zu entwickeln, welche die photosynthetische Leistung in dynamischen natürlichen Umgebungen optimiert. Aufbauend auf neuesten Entdeckungen und methodischen Fortschritten, die von Mitgliedern der Forschungsgruppe erzielt wurden, untersucht GoPMF die photosynthetische Bioenergetik im Kontext von subzellulärer Organisation und Physiologie. GoPMF nutzt Cyanobakterien und Chloroplasten als In-vivo-Modelle, um die regulatorischen Mechanismen schneller PMF-Anpassungen auf posttranslationaler und physiologischer Ebene zu erforschen. Diese Erkenntnisse ergänzt GoPMF durch mechanistische und strukturelle Analysen der molekularen Maschinerie, die für die Erzeugung und Modulation der PMF verantwortlich ist.
Durch die Kombination modernster bildgebender Verfahren mit der Entwicklung von In-situ-Biosensor-Methoden zur Erfassung bioenergetischer Eigenschaften der PMF in einzelnen Zellen, Organellen und Thylakoiden erforscht GoPMF das PMF-Management in einem neuen zellbiologischen Zusammenhang. GoPMF gewinnt molekulare Einblicke in die Mechanismen, die die PMF-Dynamik antreiben, durch schnelle zeitaufgelöste Spektroskopie, Massenspektrometrie und strukturelle Biologie, einschließlich Kryo-Elektronenmikroskopie/Tomographie. Umfangreiche genetische Modifikationen nutzen die mechanistische Konservierung und Vielfalt in der PMF-Regulation von Cyanobakterien, Algen und Pflanzen. Diese funktionalen Studien werden durch mathematische Modellierung der PMF ergänzt.
Das ultimative Ziel von GoPMF ist es, ein umfassendes Verständnis der PMF als dynamischen, reaktionsfähigen und integrierten Knotenpunkt zu etablieren, der die Photosynthese prägt und ihre Anpassung an schnelle externe Veränderungen ermöglicht.
GoPMF erforscht molekulare Mechanismen des Elektronentransfers, die den Cytochrom (Cyt) b6f-Komplex (b6f), den photosynthetischen Komplex I und das Photosystem I (PSI) in Gefäßpflanzen, grünen Algen und Cyanobakterien betreffen. Darüber hinaus untersucht GoPMF, wie diese zyklischen Elektronentransferaktivitäten mit der PMF interagieren und in Bezug zu photosynthetischer H2-Produktion in Cyanobakterien stehen.
Die beiden Komponenten des elektrochemischen Gradienten, ΔΨ und ΔpH, unterliegen einer dynamischen Modulation durch nicht-H+-Ionenflüsse wie K+, Ca2+ und Cl-. Diese Modulation ermöglicht eine feine Abstimmung des respiratorischen und photosynthetischen Elektronentransfers sowie der Photoprotektion. Darüber hinaus hängt die ATP-Synthese von der PMF ab und der Redoxstatus bestimmt die Reaktionsfähigkeit der ATP-Synthase im Hinblick auf die PMF. GoPMF untersucht, wie die ATP-Synthase sowie Ionenkanäle und -austauscher/-transporter die lokale PMF beeinflussen und erforscht, wie die Regulation der PMF auf wechselseitigen Prozessen beruht, die zu einer nichtlinearen Komplexität führen.
GoPMF entwickelt innovative experimentelle Ansätze, um die Komplexität der PMF zu erforschen und zu verstehen, wie die Regulation der PMF die Photosynthese in lebenden Systemen unterstützt. Die Entwicklung und Anwendung modernster Methoden in den Bereichen Biosensoren, genetische Manipulation und hochauflösende Bildgebung stehen im Mittelpunkt von GoPMF. Durch den Einsatz von genetisch codierten Biosensoren für pH-Wert, transmembranen Spannungsunterschied, NAD(P)H und ATP stellt GoPMF eine Verbindung zwischen Redoxregulation, Energiestoffwechsel und PMF-Regulation her. Hochauflösende Bildgebungstechniken bilden eine Grundlage, um die PMF mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen.
GoPMF analysiert die makromolekulare Organisation von Membranproteinen, die an der Generierung der PMF beteiligt sind, mittels kryo-elektronenmikroskopischer Einzelpartikelanalyse (cryo-EM SPA) und kryo-elektronentomographischer Bildgebung (cryo-ET), mit dem Ziel zu verstehen, wie diese strukturellen Gerüste zur Regulation der PMF beitragen.
Der Redoxzustand von NAD(P)+/NAD(P)H, Chinonen und Thiolverbindungen sowie der ATP/(ADP+AMP)-Energiestatus dienen als wichtige Parameter, die der Zelle eine dynamische Rückmeldung über ihren aktuellen physiologischen Zustand geben. Das stromale NADPH/ATP-Verhältnis spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbindung von photosynthetischen Lichtreaktionen und Kohlenstofffixierung. Die PMF fungiert als Auslöser für flexible Anpassungen dieses Verhältnisses. In Reaktion auf den zellulären Redox- und Energiestatus führen posttranslationale Modifikationen wie Phosphorylierung und Acetylierung von Thylakoidmembranproteinen zur Induktion photoprotektiver Mechanismen wie dem energie-abhängigen (qE) und dem state transition-abhängigen (qT) nicht-photochemischen Quenching (NPQ). GoPMF untersucht die Bestandteile und Dynamik dieses regulatorischen Netzwerks.