Neue Entdeckung: Wie Kieselalgen CO₂ so effektiv binden können

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Auf einem Kupfer-Gitter festgefrorene Kieselalgen, entstanden bei der Probenvorbereitung für die Kryo-Elektonentomographie. | Quelle: Benoit Gallet, Martin Oeggerli | Copyright: Benoit Gallet, Martin Oeggerli (Micronaut) | Download

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.»

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Ben Engel, Universität Basel, Biozentrum, E-Mail: Ben.Engel@unibas.ch

Originalpublikation:
Ginga Shimakawa, Manon Demulder, Serena Flori, Akihiro Kawamoto, Yoshinori Tsuji, Hermanus Nawaly, Atsuko Tanaka, Rei Tohda, Tadayoshi Ota, Hiroaki Matsui, Natsumi Morishima, Ryosuke Okubo, Wojciech Wietrzynski, Lorenz Lamm, Ricardo D. Righetto, Clarisse Uwizeye, Benoit Gallet, Pierre-Henri Jouneau, Christoph Gerle, Genji Kurisu, Giovanni Finazzi, Benjamin D. Engel, Yusuke Matsuda: Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO₂ fixation. Cell. Published online October 1, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.013

Onyou Nam, Sabina Musial, Manon Demulder, Caroline McKenzie, Adam Dowle, Matthew Dowson, James Barrett, James N. Blaza, Benjamin D. Engel, Luke C. M. Mackinder: A Protein Blueprint of the Diatom CO₂-Fixing Organelle. Cell. Published online October 4, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.025