J眉ngste Weiterentwicklungen der Elektronen-Kryomikroskopie machen es m枚glich, eine Schwelle in der pflanzengenetischen Grundlagenforschung zu 眉berschreiten: Die Arbeitsgruppe von Dr. Jennifer Senkler und Prof. Hans-Peter Braun vom Institut f眉r Pflanzengenetik der 糖心原创 (糖心原创) konnte erstmalig ein zentrales Enzym des Pflanzenstoffwechsels auf atomarer Ebene untersuchen. Dieses bildgebende Verfahren ist erst seit kurzer Zeit technisch m枚glich. Durch die neuen Einblicke k枚nnen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun Erkenntnisse 眉ber die genaue Funktionsweise der pflanzlichen Zellatmung gewinnen, die bislang in dieser Detailsch盲rfe nicht m枚glich waren.
Das Projekt entstand im Rahmen einer Kooperation mit Niklas Klusch, Dr. 脰zkan Yildiz und Prof. Werner K眉hlbrandt vom Max-Planck-Institut f眉r Biophysik in Frankfurt. Im Fokus stand die Frage, auf welche Weise Pflanzen regulieren k枚nnen, dass stets die richtige Menge der energiereichen Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) zur Verf眉gung steht, durch die ihr Stoffwechsel angetrieben wird. Pflanzen stellen mithilfe der Photosynthese Zucker her. Etwa die H盲lfte dieses gebildeten Zuckers verwenden sie, um im Zuge der Zellatmung die Verbindung ATP zu bilden. Wie genau die Regulierung der Menge an ATP funktioniert, ist bisher unbekannt. Durch die bildgebende Darstellung konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun die atomare Struktur eines Schl眉sselenzyms der Zellatmung, die mitochondriale NADH-Dehydrogenase, aufkl盲ren.
Dieser so genannte Komplex I, der auch in den Mitochondrien von Tier und Mensch vorkommt, besteht aus zwei gro脽en Armen, die zu einer L-Form zusammengesetzt sind. Man nimmt an, dass die Aktivit盲t dieses Enzymkomplexes durch eine kleine Ver盲nderung des Winkels zwischen den beiden Armen reguliert wird. Das Forscherteam hat durch die Darstellung auf atomarer Ebene eine schmale Proteinbr眉cke entdeckt, die die beiden Arme des Komplex I diagonal verbindet und so vermutlich eine Feinjustierung ihrer Orientierung zueinander erlaubt. Die Pflanzenforscher gehen davon aus, dass der Br眉cke eine wichtige Rolle zukommt, um die Aktivit盲t des Komplex I und damitindirekt die Menge ATP, die im Zuge der pflanzlichen Zellatmung gebildet wird, zu regulieren.
"F眉r dieses Projekt konnten wir das Kryo-Elektronenmikroskop unserer Kooperationspartner in Frankfurt nutzen", erl盲utert Prof. Dr. Hans-Peter Braun. Diese mit fl眉ssigem Stickstoff gek眉hlten Ger盲te sind gro脽 und sehr teuer, so dass es derzeit in Deutschland nur wenige gibt. Nutzungszeiten an den Ger盲ten sind extrem begehrt. "Man kann es vielleicht mit neuen Fernrohren vergleichen, mit denen man pl枚tzlich etwas im Weltraum sehen kann, was vorher komplett verborgen war", sagt Braun. "Alle Forschergruppen wollen nat眉rlich ''ihre'' Enzyme sehen." Daher freuen sich die hannoverschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sehr, dass sie ihre Partner in Frankfurt von der Bedeutung ihres Forschungsprojektes 眉berzeugen konnten.
Die Leistungsf盲higkeit der Elektronen-Kryomikroskopie konnte in j眉ngster Zeit mittels neuer Kameratechnologie und Bildverarbeitungs-Software enorm gesteigert werden. Die Kooperationspartner vom Max-Planck-Institut f眉r Biophysik in Frankfurt waren an der Entwicklung und Optimierung dieser Methode ma脽geblich beteiligt. Mit dieser Technologie k枚nnen nun molekularbiologische Vorg盲nge in bisher unerreichter Weise mit atomarer Aufl枚sung untersucht werden.
In Hannover erfolgte zun盲chst die Aufreinigung des Enzymkomplexes aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. In Frankfurt wurden dann schockgefrorene Pr盲parate des Proteinkomplexes im Elektronenmikroskop analysiert. Dabei nahm eine automatisierte Kamera hunderttausende Bilder von Komplex-I-Partikeln auf, die nachfolgend im Computer analysiert wurden und zu einem nahezu vollst盲ndigen atomaren Modell des Komplex I aus Pflanzen f眉hrten.
Publikation:
Klusch, N., Senkler, S., Yildiza, 脰., K眉hlbrandt, W. & Braun, H.P. (2021)
A ferredoxin bridge connects the two arms of plant mitochondrial complex I.
The Plant Cell, in press.
Hinweis an die Redaktion
F眉r weitere Informationen steht Ihnen Prof. Dr. Hans-Peter Braun, Institut f眉r Pflanzengenetik, unter Telefon +49 511 762 2674 oder per E-Mail unter braun@genetik.uni-hannover.de gern zur Verf眉gung.
