Spezies-übergreifende computergestützte Analyse der protonenmotorischen Kraft und ihrer wichtigsten Merkmale

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anna Matuszynska
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507704013

Die photosynthetische protonenmotorische Kraft (PMF) über der Thylakoidmembran spielt eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Energiestoffwechsels von Organismen. Die Zahl der voneinander abhängigen Prozesse und möglichen Querverbindungen zwischen Reaktionen, die PMF erzeugen, modulieren und von ihr abhängen, ist bemerkenswert, und ihre kombinierte Wirkung auf die Bioenergetik der Zelle führt zu einer nichtlinearen Komplexität. Daher ist ein strenger Rahmen erforderlich, der eine systematische Entflechtung der Komplexität ermöglicht, um Konzepte zu entwickeln, wie die PMF bei verschiedenen photosynthetischen Arten erreicht und reguliert wird. Computergestützte, mechanistische Modelle der photosynthetischen Elektronentransportkette bieten einen quantitativen Rahmen, der vergleichende Studien ermöglicht. Zahlreiche Modelle der Photosynthese beschreiben die PMF, aber viele von ihnen konzentrieren sich ausschließlich auf ihre pH-abhängige Komponente (ΔpH), vor allem wegen ihrer Verbindung zu dem wichtigen photoprotektiven Mechanismus, dem nicht-photochemischen Quenching. Beim energieabhängigen Quenching wird überschüssige Lichtenergie als Wärme freigesetzt, um das Photosystem II vor Schäden zu schützen. Die Bedeutung des Membranpotenzials (ΔΨ) für die Erzeugung von PMF und den Lichtschutz sollte jedoch nicht außer Acht gelassen werden, da der photosynthetische Elektronentransport sehr empfindlich auf die Konzentration von Ionen (z. B. H+, K+, Mg2+ und Cl-) reagiert. Ionentransportproteine in der Thylakoidmembran, wie z. B. KEA3, ermöglichen einen Ausfluss von H+ mit einem Gegenfluss von Kationen in die Membran, wodurch der Beitrag der protonenbasierten oder potenzialgetriebenen Komponenten des PMF beeinflusst wird. Durch eine dynamische Feinabstimmung der beiden PMF-Komponenten können sich photosynthetische Organismen dynamisch an Umweltveränderungen anpassen und ihre Energieproduktion auf ihren Energiebedarf abstimmen. In diesem Projekt wollen wir einen vereinheitlichenden theoretischen Rahmen schaffen, der die Dynamik der PMF für zahlreiche Klassen photosynthetischer Organismen beschreibt, die von den GoPMF-Partnern untersucht werden, von Cyanobakterien über grüne Mikroalgen bis hin zu vaskulären Pflanzen. Aufbauend auf den zuvor erstellten mathematischen Modellen der photosynthetischen Elektronentransportkette werden wir den modularen Aufbau unserer Modelle erforschen, um einen Bauplan für die PMF-Regulierung zu erstellen. Innerhalb dieses Rahmens werden wir in der Lage sein, die Auswirkungen der PMF-Aufteilung auf die photosynthetische Dynamik systematisch zu untersuchen und speziesübergreifende Vergleiche anzustellen, um neue Hypothesen zur PMF-Regulierung aufzustellen. In Verbindung mit den gesammelten experimentellen Arbeiten wird unser Modell die Experimente zur lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion in Cyanobakterien leiten. Unser Ziel ist es, eine Plattform zu schaffen, auf der die GoPMF Ziele weiter erforscht werden können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5573: Dynamische Regulation der protonenmotorischen Kraft in der Photosynthese