Bio-Katalysator in neuem Licht

Wissenschaftler der Freien Universität klären wichtige Photosynthesestruktur auf

Nr. 004/2007 vom 14.02.2007

Das eher unscheinbare Gebilde aus einigen Mangan- und Sauerstoffatomen sowie einem Kalziumatom hat es in sich. Es ist der Katalysator für eine der wichtigsten Reaktionen der Photosynthese: die Sauerstoff und chemische Energie liefernde Spaltung von Wassermolekülen mithilfe des Sonnenlichts. Die Funktion des Mangankomplexes ist schon seit Längerem bekannt, die Details der einzelnen Abläufe waren es bisher noch nicht. „Das Verständnis der Funktion bekommen wir erst, wenn die gesamte Struktur aufgeklärt ist“, sagt Wolfram Saenger von Institut für Kristallographie der Freien Universität Berlin. Erst kürzlich gelang es dem Professor für Strukturbiologie und seinen Mitarbeitern, gemeinsam mit Kollegen um Dr. Athina Zouni vom Max-Volmer-Institut für biophysikalische Chemie der Technischen Universität Berlin (TU) und amerikanischen Wissenschaftlern, die räumliche Anordnung und den genauen Abstand der Atome abzubilden. Die Arbeiten fanden im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs (SFB) 498 statt und die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Science“ veröffentlicht.

Ort des Geschehens ist das Photosystem II, das Kraftwerk der Photosynthese. Zu finden ist es im Inneren aller Lebewesen, die Lichtenergie zum Aufbau organischer Substanzen nutzen: in Cyanobakterien, in Grünalgen und in Pflanzen, millionenfach in so genannten Thylakoidmembranen aufgereiht. In seinem „Antennenbereich“ sitzt Licht aufnehmendes Chlorophyll und in seinem Reaktionszentrum der Mangan-Katalysator. Damit wird es zum wirkungsvollsten biologischen Energieumwandlungssystem – Energieausbeute fast 100 Prozent. Zum Vergleich: Moderne Photozellen erreichen nicht einmal 20 Prozent. Kein Wunder, dass die Struktur- und Funktionsaufklärung des Mangankomplexes intensiv betrieben wird und bereits 18 Strukturmodelle von verschiedenen Arbeitsgruppen vorliegen. Bislang scheiterten die Wissenschaftler jedoch an der Methode. Das isolierte Photosystem II wurde in einer Flüssigkeit oder als Paste mit Röntgenstrahlen belichtet. Weil dabei die Moleküle sich bewegen oder nicht geordnet vorliegen, konnten zwar Atomabstände gemessen werden, die räumliche Gestalt blieb aber bislang nicht eindeutig bestimmbar.

Nun ging man neue Wege. Am Max-Volmer-Institut wurden Kristalle des Photosystems II aus Cyanobakterien hergestellt, die am Stanford Synchrotron Radiation Laboratory in Kalifornien auf minus 260 Grad Celsius gekühlt und polarisiertem Röntgenlicht ausgesetzt wurden. Die streng geordnete Lage der Atome in den Kristallen, tiefe Temperatur und die Bestrahlungsmethode sorgten dafür, dass wesentlich genauere Messungen möglich waren. Jetzt können die Abstände zwischen zwei Manganatomen und, viel wichtiger, deren räumliche Orientierung exakt bestimmt werden. Wolfram Saenger und seine Kollegen am Institut für Kristallographie haben die Stanford-Ergebnisse ausgewertet und dann Schritt für Schritt mit den vorhandenen Strukturmodellen verglichen, um die beste Übereinstimmung herauszuholen. Saenger ist sich sicher, mit dem gefundenen neuen Modell ganz nah am natürlichen Vorbild zu sein.

Vor über 20 Jahren begann Wolfram Saenger gemeinsam mit Prof. Horst Tobias Witt von der TU, den Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in Kohlenhydrate zu erforschen und fügt seitdem ein Teil nach dem andern in das Puzzle. Als Nächstes möchte er mit größeren Kristallen und Neutronenstrahlen die ganze Wahrheit über den Mangankomplex und das Photosystem II herausfinden.

Von Matthias Manych

Weitere Informationen

Prof. Dr. Wolfram Saenger
Freie Universität Berlin
Institut für Chemie und Biochemie
Abt. Kristallographie
Telefon: 030 / 838-53410 oder 838-53412
E-Mail: saenger@chemie.fu-berlin.de