Forschende der Johannes Kepler Universität Linz haben gemeinsam mit britischen Kolleg*innen einen alten Lehrsatz der Biochemie widerlegt. Ihre Entdeckung im Bereich der Photosynthese könnte langfristig einen Durchbruch zu höheren landwirtschaftlichen Erträgen bedeuten.

Ein Großteil des Lebens auf unserer Erde wird durch die Photosynthese ermöglicht. Dieser chemische Prozess erlaubt es Pflanzen, Sonnenlicht in Energie umzuwandeln. Bisher wurde angenommen, dass dieser Vorgang nur möglich ist, wenn das Licht nicht mehr als 700 Nanometer Wellenlänge hat. Darüber hinaus wären die Lichtwellen zu energiearm.

Das hat nun eine internationale Forschungs-Kooperation zwischen dem Imperial College in London (Großbritannien) und der JKU widerlegt. Denn: Bestimmte Cyanobakterien sind in der Lage, auch unter ausschließlich langwelliger (>750 nm) Belichtung zu überleben. "Die Grenze lässt sich also überschreiten", betont Univ.-Prof. Dr. Thomas Renger.

Die Forscher*innen beider Universitäten konnten zeigen, dass ein spezielles langwelliges Pigment (Chlorophyll f) am Beginn der Elektronentransferkette eine zentrale Rolle bei der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie spielt. Daraus lässt sich ableiten: "Auch Licht mit höherer Wellenlänge als 750 Nanometern kann den Umwandlungsprozess unterstützen", so der JKU Physiker.

Dies ist keine rein theoretische Entdeckung: "Unser Fund widerlegt den alten Lehrsatz der Biochemie, dass Pflanzen oder Bakterien kein, rotes Licht jenseits von 700 nm' für die sauerstoffbildende Photosynthese nutzen können", erklärt Renger.

Quantenphysikalische Berechnungen bestätigt

Die Entdeckung gelang in enger Zusammenarbeit mit den Forscher*innen Bill Rutherford und Jenny Nelson am Imperial College London. Dort wurden hochpräzise Elektronenbeugungsexperimente durchgeführt, während Renger und sein Doktorand Michael Hofer an der JKU mit quantenphysikalischen Berechnungen die optischen Signaturen des Chlorophylls f analysierten. Beide Methoden führten unabhängig voneinander zum gleichen Ergebnis: Das Pigment sitzt tatsächlich an einem zentralen Platz im Reaktionszentrum des sogenannten Photosystems I.

Auswirkungen auf Agrarwirtschaft

Die Entdeckung könnte weitreichende Konsequenzen haben. "Wenn es langfristig gelingt, solche ,rotlichtigen Chlorophylle' in Nutzpflanzen einzubauen, könnten diese mehr Sonnenlicht für die Energieumwandlung nutzen", hofft Renger - und damit sogar landwirtschaftliche Erträge deutlich steigern.

Zum Paper: https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6830

Rückfragen:
Univ.-Prof. Dr. Thomas Renger
Institut für Theoretische Physik
Tel.: 0732 2468 5151 
E-Mail: thomas.renger@jku.at