Universität Bielefeld Fakultät für Chemie Biophysikalische Chemie und Photochemie english


Algen als Modellorganismen

Bedeutung für Medizin, Biotechnologie und Klimawandel

- Photorezeptoren wie das Kanalrhodopsin werden in der Neurobiologie eingesetzt, um Nervenzellen künstlich durch Licht anzuschalten (Optogenetik).
- Die Entstehung der Zystenniere, einer der verbreitetsten erblich bedingten Krankheiten, und vieler weiterer Krankheiten wird im Modellsystem Chlamydomonas untersucht, da die Flagellen der Alge viele Gemeinsamkeiten mit dem primären Cilium haben.
- Algen-Zellen produzieren Wasserstoff oder Isopren bei Belichtung und sind daher Kandidaten für eine direkte, umweltschonende Umwandlung der Sonnenenergie in Treibstoff oder Biomasse.
- Global betrachtet speichern Algen die Hälfte des verfügbaren Kohlendioxids und sind daher ein wesentlicher Faktor im Klimawandel.


Die Grünalge Chlamydomonas

Chlamydomonas reinhardtii ist eine einzellige Grünalge, die etwa 10 Mikrometer lang ist und in der Natur weit verbreitet vorkommt. Sie dient als einfacher Modellorganismus zur Untersuchung der Photosynthese und der Verarbeitung von Lichtsignalen.

So reagiert sie mit Hilfe zweier Flagellen auf die Lichtverhältnisse in der Umgebung (Phototaxis) und besitzt eine biologische Uhr, die durch Licht synchronisiert wird (zirkadiane Rhythmik). Zur Studie dieser Rhythmik wurde Chlamydomonas bereits im Space Shuttle auf Weltraummission geschickt.

Die Kieselalge Phaeodactylum

Kieselalgen sind einzellige, photosynthetische Organismen, die überall in Salz- und Süßwasser zu finden sind, unter anderem als Bestandteil des Planktons. Phaeodactylum tricornutum ist eine der am Besten charakterisierten Kieselalgen, so ist das Genom vollständig sequenziert.

Kieselalgen tragen erheblich (ca. ein Fünftel) zur Primärproduktion der Erde bei. Demnach wurde jedes fünfte Sauerstoffmolekül, das wir einatmen, von Kieselalgen produziert.

Photorezeptoren (FOR1261)

Im Rahmen der interdisziplinären Forschergruppe 1261 untersuchen wir die Rolle und Funktionsweise der Photorezeptoren in einzelligen Modellalgen.

Wie alle Pflanzen enthält Chlamydomonas Phototropin und Cryptochrom, allerdings fehlt die ganze Familie der im roten Bereich sensitiven Phytochrome. Stattdessen enthält die Alge ein tier-ähnliches Cryptochrom (aCRY), das als bisher einziges Flavoprotein auch durch rotes Licht aktiviert wird (siehe Plant Cell 2012).

Zusätzlich findet man in der Grünalge mikrobielle Rhodopsine wie die Kanalrhodopsine, die für die Phototaxis verantwortlich sind. Phototropin schützt die Photosynthese bei zu starkem Licht (siehe Nature 2016). aCRY reguliert die Reproduktion und das Pflanzencryptochrom die zirkadiane Rhythmik (siehe Plant Physiol. 2017a 2017b).

Damit bietet die Grünalge die Gelegenheit, die Funktionsweise nahezu aller gängigen Photorezeptoren in einem vergleichsweise einfachen Organismus zu studieren.

Für unsere biophysikalischen Untersuchungen überproduzieren wir die Photorezeptoren oder Segmente davon in größeren Mengen in E. coli (wie das Cryptochrom, siehe J. Biol. Chem. 2007). Aus Gemeinsamkeiten und Unterschieden in den Eigenschaften der Photorezeptoren von Chlamydomonas im Vergleich zu denen höherer Pflanzen lassen sich die wesentlichen Prozesse isolieren und evolutionäre Entwicklungen beobachten.

Phaeodactylum besitzt als sekundärer Endosymbiont andere Photorezeptoren als Pflanzen. So sind zwar Cryptochrome und auch Phytochrome in der Kieselalge zu finden, Phototropin ist allerdings nicht vorhanden. Stattdessen übernimmt das Aureochrom eine Rolle als Blaulichtsensor und reguliert die Anpassung an Starklichtbedingungen.


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