Die Photosynthese ist eine bahnbrechende „Erfindung“ der Natur. Erst durch sie können Pflanzen mithilfe von Sonnenlicht, Wasser und CO2 organische Moleküle und Biomasse aufbauen. Doch für diese Umwandlung ist ein komplexer Apparat nötig. Sein Herzstück bilden die beiden Proteinkomplexe Photosystem I (PSI) und Photosystem II (PSII). Sie sitzen bei Pflanzen in der Thylakoidmembran der Chloroplasten, bei Cyanobakterien sind die Thylakoide aus der Zellmembran eingestülpt.
Im ersten Schritt der Photosynthese spaltet das Photosystem II mithilfe von Licht und biochemischen Katalysatoren Wassermoleküle und setzt dabei Sauerstoff und positiv geladene Protonen frei. Mit diesen produziert eine komplexe Reaktionskette den chemischen Energieträger Adenosintriphosphat (ATP). Dabei werden Elektronen frei, die nun zusammen mit Licht vom Photosystem I genutzt werden. Dieses produziert das Koenzym NADPH, das für den Zusammenbau komplexerer organischer Moleküle gebraucht wird.
Dieses Prinzip findet sich seit mehr als 50 Jahren in allen Biologie-Lehrbüchern. Nach diesen ist eine sauerstoffproduzierende Photosynthese ohne diese beiden Photosysteme nicht möglich – so jedenfalls dachte man bisher.
Schematische Darstellung der oxygenen Photosynthese mit den beiden Photosystemen I und II. — © Yikrazuu/ CC-by-sa 3.0
Es begann mit einem gescheiterten Tausch
Doch die Lehrbücher liegen offenbar falsch: Unter bestimmten Bedingungen geht eine Photosynthese auch ohne das Photosystem I, wie ein Experiment mit Cyanobakterien nun belegt. „Eigentlich wollten wir etwas völlig anderes erreichen“, erklärt Seniorautor Dario Leister von der Ludwig-Maximilians-Universität München. „Dass daraus Organismen entstehen würden, die ohne Photosystem I wachsen, Kohlendioxid fixieren und Sauerstoff produzieren können, war vollkommen unerwartet.“
Ursprüngliches Ziel des Experiments war es, das Photosystem I des Cyanobakteriums Synechocystis gegen das der Blütenpflanze Arabidopsis thaliana auszutauschen. Dafür erzeugten Leister und sein Team einen Cyanobakterienstamm, dem alle zwölf für dieses Photosystem nötigen Gene fehlten. „Bei Synechocystis ist das Entfernen des Photosystems I normalerweise tödlich“, erklären die Forschenden. Deshalb schleusten sie dann die PSI-Gene der Blütenpflanze in diesen Stamm ein.
Überlebensfähig auch ohne Photosystem I
Dabei zeigte sich Überraschendes: Die eingeschleusten Fremdgene blieben inaktiv, wodurch die manipulierten Cyanobakterien nun kein funktionierendes Photosystem I mehr besaßen – trotzdem überlebten sie und wuchsen sogar langsam weiter. Das blieb auch so, als die Biologen alle eingeschleusten Fremdgene wieder entfernten. „Dieser Cyanobakterienstamm behielt sein photoautotrophes Wachstum bei. Demnach kann Synechocystis unter bestimmten Bedingungen auch ohne das Photosystem I eine sauerstoffproduzierende Photosynthese durchführen“, konstatiert das Team.
Aber wie? Nähere Analysen ergaben, dass es die im Labor kultivierten Cyanobakterien dank mehrerer Anpassungen geschafft haben, ihre Elektronen- und Protonentransportketten umzuorganisieren. Dadurch kann nun der Molekülkomplex NDH-1 die Funktion des fehlenden Photosystems I ersetzen und das für die Photosynthese nötige Koenzym NADPH produzieren, wie Leister und seine Kollegen feststellten.
Natur ist anpassungsfähiger als es Lehrbücher vorsehen
Damit widerlegt dieses Experiment die bislang geltende Annahme, dass das Photosystem I für die Bildung von NADPH unverzichtbar ist. Stattdessen kann die Natur sich unter bestimmten Bedingungen offenbar auch ohne behelfen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Natur deutlich flexibler ist, als wir bislang angenommen haben“, sagt Leister. Dies wirft grundlegende Fragen zur Anpassungsfähigkeit photosynthetischer Systeme auf und könnte auch Annahmen zur Evolution der sauerstoffbildenden Photosynthese verändern.
„Wenn ein Lehrbuchparadigma fällt, betrifft das nicht nur ein Detail unseres Wissens – es verändert unseren Blick auf fundamentale biologische Prozesse“, erklärt Leister. „Unsere Arbeit erinnert daran, dass selbst scheinbar unumstößliche Lehrbuchkonzepte durch neue experimentelle Befunde infrage gestellt werden können. Genau das macht Grundlagenforschung so spannend.“
Quelle: Marta Ludwiczak (Ludwig-Maximilians-Universität München) et al., Nature Communications, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-74903-2
