Winziger Tropfen mit großer Bedeutung
Rubisco ist das wichtigste und häufigste Enzym der Erde – es katalysiert die Fixierung von CO₂ während der Photosynthese. Doch das Enzym ist alles andere als vollkommen: Es arbeitet relativ langsam und bindet häufig fälschlicherweise Sauerstoff (O₂) statt CO₂. Dies führt zur Photorespiration, einem ineffizienten Prozess, bei dem wertvolle Energie verloren geht.
Grünalgen stehen vor der Herausforderung, CO₂ aus einem wässrigen Lebensraum mit sehr niedriger Konzentration aufzunehmen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, nutzen sie Kondensate – membranlose Organellen, die als Pyrenoide bezeichnet werden. Diese binden Rubisco mithilfe des Linker-Proteins EPYC1 und konzentieren es durch das Prinzip der Phasentrennung in einem Tropfen. Im Pyrenoid wird CO₂ angereichert, was die CO₂-Fixierung durch Rubisco verstärkt und die Photorespiration vermindert.
Kann EPYC1 allein die Kohlenstoffkonzentration bewirken? Beeinflusst es direkt die Aktivität von Rubisco, oder ergibt sich die verbesserte CO₂-Fixierung ausschließlich aus der lokal erhöhten Konzentration des Substrats? Dr. Andreas Küffner, heute Forschungsgruppenleiter für biologisches Carbon Capture am Max-Planck-Institut für Muldisziplinäre Naturwissenschaften in Göttingen, untersuchte diese Fragen während seiner Postdoc-Phase im Team von Prof. Dr. Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg. Das Pyrenoid-Kondensat-System dient als einzigartiges Modell, um das Zusammenspiel von Biokatalyse und physikalischen Bedingungen zu erforschen. Moderne Pyrenoide sind jedoch komplexe Strukturen mit aufwendiger zellulärer Architektur und zahlreichen Komponenten, was die isolierte Untersuchung der EPYC1-Funktion erschwert.
„In der Synthetischen Biologie wollen wir biologische Funktion von Grund auf verstehen“, erklärt Tobias Erb. „Ein minimales synthetisches Pyrenoid zu rekonstruieren, zeigt uns, welche Komponenten essenziell sind – und welche ausreichen – und gibt Einblicke in die Funktion, wie sie sich im Laufe der Evolution entwickelt hat“, ergänzt Andreas Küffner.
Evolution im Labor: Funktionsanalyse uralter Proteine
Um zu verstehen, wie sich Pyrenoide aus einfacheren Kondensaten entwickelt haben könnten, rekonstruierte das Team gemeinsam mit Prof. Dr. Georg Hochberg von der Universität Marburg die Gensequenzen der evolutionären Vorfahren des heutigen EPYC1 (ancestrale Sequenzrekonstruktion). „Durch den Nachbau der frühesten Proteinformen im Labor konnten wir ihre Mechanismen und Fähigkeiten zur Kondensatbildung im Reagenzglas analysieren. Dies ermöglichte es, einen evolutionären Pfad zu skizzieren: von minimalen Pyrenoiden zu den komplexeren Strukturen, wie sie heute in Grünalgen vorkommen“, erklärt Küffner.
Fast alle ancestralen EPYC1-Versionen bildeten Kondensate – ein Beleg dafür, dass die Fähigkeit, Rubisco in einem konzentrierten Tropfen zu organisieren, ein uraltes Merkmal ist, das im Verlauf der Evolution erhalten blieb. Strukturanalysen mittels Kryo-Elektronenmikroskopie zeigten, dass Rubisco innerhalb der Kondensate seine natürliche Form und die Konfiguration des aktiven Zentrums beibehält. Die Kondensate verändern Rubisco somit nicht. Vielmehr schaffen sie vermutlich eine lokale Umgebung, in der CO₂ im Vergleich zu Sauerstoff angereichert ist – allein durch die physikalische Chemie der Phasentrennung, wie kinetische und biophysikalische Experimente belegten.
Von der Grundlagenforschung zur synthetischen Anwendung
Das Prinzip, dass EPYC1-Gensequenzen ihre kohlenstoffkonzentrierende Funktionen ausschließlich durch Phasentrennung entfalten – und nicht durch eine Verbesserung von Rubisco selbst –, kann sowohl bei natürlichen als auch bei synthetischen Pyrenoiden genutzt werden. Die Verwendung einfacher phasentrennender Proteine ist eine unkompliziertere Strategie als komplexe Pyrenoid-Rekonstruktionen oder andere Ansätze und eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen in der Synthetischen Biologie. Das Verständnis der Funktionsweise der einfachsten CO2-Konzentratoren der Natur könnte Forschenden helfen, eine effizientere Photosynthese in Nutzpflanzen zu entwickeln und so zur Ernährungssicherheit sowie zum Klimaschutz beizutragen.
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie
Originalpublikation:
Küffner, A.M; Erb, T. J.: Mechanistic insights into CO2-concentrating mechanisms using a synthetic minimal pyrenoid. Nat. Plants12, 1430–1431 (2026). doi.org/10.1038/s41477-026-02348-y
