Ein Team von Wissenschaftlern hat eine neue chemische Verbindung entwickelt, die die Photosynthese in Pflanzenblättern hemmt: Sie hemmt die Aktivität eines Proteinkomplexes, der eine der Schlüsselreaktionen des Prozesses ausführt - die Zersetzung von Wasser in Sauerstoff. Dieser Stoff kann zum Prototyp von Herbiziden werden, die Unkräuter bekämpfen, während er für Mensch und Tier unschädlich ist. Die Ergebnisse der Studie, die durch ein Stipendium der Russischen Wissenschaftsstiftung (RNF) unterstützt wurde, wurden in der Zeitschrift Cells, Reports veröffentlicht Gazeta.ru.
Photosynthese ist der Prozess, bei dem Pflanzen organische Verbindungen aus Kohlendioxid und Wasser synthetisieren. Es wird mit Hilfe von zwei großen Proteinkomplexen durchgeführt - den Photosystemen 1 und 2 (PS1 und PS2), die jeweils aus einem Reaktionszentrum, umgebenden Proteinen und Pigmenten bestehen. Unter Einwirkung von Sonnenlicht wird das Chlorophyll im Reaktionszentrum angeregt und überträgt seine Elektronen auf andere Moleküle im Photosystem. Nachfolgende Elektronenübergänge werden von der Akkumulation hochenergetischer Moleküle wie ATP begleitet, die an der Synthese organischer Verbindungen beteiligt sind. Der im Chlorophyll verbleibende Elektronenmangel wird durch die Zersetzung von Wassermolekülen kompensiert - während dieses Prozesses wird Sauerstoff als Nebenprodukt freigesetzt.
Wissenschaftler des Instituts für grundlegende biologische Probleme der Russischen Akademie der Wissenschaften (Pushchino) haben mit Kollegen der Gazi-Universität (Türkei) eine neue Verbindung auf Basis von Kupfer und einem organischen Fragment synthetisiert, das die Photosynthese in Blättern unterdrückt. Um die Wirkung der Substanz zu bestimmen, isolierten die Autoren mit PS2 angereicherte Thylakoidmembranen aus Blättern – Strukturen innerhalb von Chloroplasten – und fügten der resultierenden Suspension eine Lösung der neuen Verbindung hinzu. Die hemmende Wirkung wurde danach bewertet, wie stark die durch Beleuchtung verursachte Sauerstofffreisetzung verringert wurde – beispielsweise wurde ihre Rate um 69 % verringert. Darüber hinaus wurde die Wirkung der Substanz durch eine Reihe weiterer Reaktionen untersucht, die die Aktivität von PS2 charakterisieren: Beispielsweise verringerte die Zugabe eines Inhibitors die Lumineszenz von Chlorophyll während der Photosynthese. Gleichzeitig änderte sich die Wirksamkeit des Arzneimittels nicht mit der Zeit, sondern hing nur von seiner Konzentration ab.
Eine Abnahme der Sauerstofffreisetzung deutete darauf hin, dass das Photosystem weniger effizient arbeitete. Es wird vermutet, dass der Hauptangriffspunkt des neuen Herbizids das Reaktionszentrum des Proteinkomplexes ist: Die Substanz bindet an den PS2-Kern und verändert seine Struktur. Dadurch wurde laut Wissenschaftlern der Prozess der Ladungsübertragung zwischen den Komponenten der Elektronentransportkette gestört.
Der entwickelte Inhibitor kann zur Herstellung eines neuen Herbizids verwendet werden, das beispielsweise zur Bekämpfung schnell wachsender Unkräuter eingesetzt wird, die vor dem Keimen von Feldfrüchten auftreten. Da die Wasserzersetzungsreaktion nur in der Pflanzenzelle stattfindet, dürfte das Herbizid für Mensch und Tier völlig unbedenklich sein.
„Wir haben eine Verbindung entwickelt, die unerwünschte Pflanzenarten effektiv beseitigt und so die Ernteerträge deutlich erhöht. Diese Daten können zu einer grundlegenden Grundlage für die Entwicklung von Substanzen werden, die bei möglichst niedrigen Konzentrationen wirksam sind“, sagt der Erstautor der Arbeit, Sergey Zharmukhamedov, Kandidat der Biowissenschaften, leitender Forscher am Institut für grundlegende biologische Probleme der Russischen Föderation Akademie der Wissenschaften.
Auch Wissenschaftler des Instituts für Molekularbiologie und Biotechnologie der Nationalen Akademie der Wissenschaften Aserbaidschans (Baku), des nach K.A. Timiryazev (Moskau), der King Saud University (Saudi-Arabien) und der Moscow State University benannt nach M.V. Lomonosov (Moskau).