FOR 5573: Dynamische Regulation der protonenmotorischen Kraft in der Photosynthese

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Beschreibung

Die protonenmotorische Kraft (PMF) ist das Herzstück des Energiestoffwechsels und treibt die meisten Zellfunktionen an. Sie ist so universell wie der genetische Code. Bei der PMF handelt es sich um einen elektrochemischen Gradienten, der meist über eine Membran durch die Aktivität mehrerer Membranproteinkomplexe erzeugt wird. Die PMF trennt die Energieumwandlung von molekularen Identitäten und stöchiometrischen Einschränkungen und kann damit zelluläre Prozesse frei verbinden und integrieren. Entsprechend, muss die PMF flexibel, aber auch verlässlich sein, um essentielle biochemische Reaktionen anzutreiben. Dazu bedarf es einer ausgefeilten Integration von Umweltstatus und Physiologie in die PMF-Regulation. Obwohl die PMF intensiv untersucht wurde, ist das Verständnis ihrer Regulation und Integration in die Physiologie bemerkenswert lückenhaft. Während funktionelle Bildgebungs- und Biosensortechniken einen Paradigmenwechsel in unserem Verständnis der bioenergetischen Dynamik von Mitochondrien eingeleitet haben, fehlen solche Erkenntnisse für die oxygene Photosynthese. Dabei stellt die PMF in diesem Kontext ein besonders geeignetes Modell für Regulationsanalysen dar, da hier aufgrund von fluktuierendem Licht in natürlichen Lebensräumen besonders effektive Antworten auf schnelle äußere Veränderungen notwendig sind. Das Ziel der Forschungsgruppe GoPMF ist es, zu verstehen wie der Aufbau und die Modulation der PMF reguliert wird, um die Photosynthese unter veränderlichen Bedingungen zu optimieren. Angetrieben von neusten methodischen Entwicklungen durch Teilnehmende dieser Initiative werden wir ein Verständnis der PMF Regulation entwickeln, das die strukturellen und physiologischen Bedingungen in der Zelle integriert. Dazu werden wir Cyanobakterien und Chloroplasten als in vivo Modelle nutzen, um regulatorische Mechanismen der schnellen PMF-Anpassung auf posttranslationaler und physiologischer Ebene zu untersuchen. Diese Erkenntnisse werden mit mechanistischen und strukturellen Analysen der molekularen Maschinen verknüpft, die die PMF erzeugen und modulieren. Die Kombination modernster bildgebender Verfahren mit der Entwicklung von in situ Biosensor-Techniken zur Messung bioenergetischer Eigenschaften der PMF live in einzelnen Zellen, Organellen und Thylakoiden wird unser Verständnis der PMF-Regulation in einen neuen zellbiologischen und organismischen Kontext bringen. Molekulare Details zu den Mechanismen, die die PMF-Dynamik antreiben, werden durch schnelle zeitaufgelöste Spektroskopie, Massenspektrometrie und Strukturbiologie einschließlich Kryo-EM und -ET aufgelöst. Durch gentechnische Eingriffe werden wir die PMF-Regulation von Cyanobakterien, Algen und Pflanzen gezielt modifizieren. Diese Funktionsstudien werden durch mathematische Modellierungen der PMF flankiert. Wir erwarten ein Verständnis der PMF als dynamischen Dreh- und Angelpunkt zu entwickeln, der die Photosynthese und ihre Anpassung an schnelle externe Veränderungen gestaltet.