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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Photosynthese-Gene in Bakterien sequenziert |
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| | | Die Photosynthese ist einer der wichtigsten aber auch kompliziertesten biochemischen Vorgänge des Lebens. Sie war eine der Voraussetzungen für die Entwicklung von komplexen Organismen. Forscher fanden nun erste Hinweise zur Stammesgeschichte der Photosynthese. Das Ergebnis: Die Photosynthese ist kein Produkt einer stetigen Evolution, sondern entstand vielmehr durch die Vermischung unabhängiger Gensysteme. |
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"Genome Analysis of Photosynthetic Prokaryotes"
Der Artikel "Whole Genome Analysis of Photosynthetic Prokaryotes" von Jason Raymond und Mitarbeitern erschien im Wissenschaftsmagazin in "Science" (Band 298, auf den Seiten 1616-1620). |
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 Zum Originalartikel (kostenpflichtig) |
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Vom Licht zur chemischen Energie |
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Der Umwandlungsprozess von Sonnenlicht in chemische Energie, die Photosynthese, besteht aus einem ausgeklügelten System von Molekülen, das vor ungefähr 2,5 Milliarden Jahren entstanden ist. In der Photosynthese wird auch er wahrscheinlichste Grund für die Bildung einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesehen. Die Entwicklung selbst liegt aber im Dunkeln.
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Photosynthese
Unter Photosynthese versteht man die Bildung von Kohlenhydraten aus Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Sonnenlicht, wobei Sauerstoff freigesetzt wird. Höhere Pflanzen, Grünalgen, Cyanobakterien und Bakterien der Ordnung Rhodospirillales (Photosynthesebakterien) sind dazu befähigt. In den Pflanzen findet sie in den sogenannten Chloroplasten statt, bei den Bakterien in der Cytoplasmamembran und im Cytoplasma.
Bei den höheren Pflanzen setzt sich die Photosynthese aus zwei Reaktionen zusammen: der Licht- und der Dunkelreaktion. |
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Mehr zur Photosynthese |
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Evolutionäre Fusionen |
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Die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Science" präsentierte Studie eines Forscherteams der Arizona State University belegt nun, dass sich die Photosynthese nicht linear durch ständige Veränderungen und wachsende Komplexität entwickelt hat.
Es kam vielmehr zu Fusionen von Evolutionslinien, wodurch unabhängig voneinander gebildete chemische Systeme vereint wurden. Unter den Bakterienarten wurde genetisches Material ausgetauscht, man spricht hierbei von "horizontalem Gentransfer".
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Fünf Bakterien-Typen untersucht |
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Die Wissenschaftler haben Genome von Vertretern aus fünf Bakterienstämmen analysiert, die die Basisgruppen der photosynthetisierenden Bakterien und zugleich das gesamte Spektrum an bekannten Photosyntheseprozessen darstellen:
Ein Cyanobakterium (Synechocystis sp. PCC 6803), ein grünes Bakterium (Chloroflexus aurantiacus), ein grünes Schwefelbakterium (Chlorobium tepidum), ein schwefelfreies Purpurbakterium (Rhodobacter capsulatus) und ein Heliobakterium (Heliobacillus mobilis).
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Bakterien
Bakterien sind mikroskopisch kleine (ein bis zehn Mikrometer), unterschiedlich geformte, einzellige Mikroorganismen, die keinen echten Zellkern haben. Das heißt, ihre Erbsubstanz befindet sich im Cytoplasma. Ihr Genom ist ein Ringchromosom. Die Bakterien werden in zwei Unterreiche eingeteilt: in die "echten" Bakterien und die so genannten Archaebakterien. |
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Photosynthese-Gene indentifiziert |
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Sie fanden einen "Gensatz" von 188 Genen, die innerhalb der untersuchten Bakterien, die unterschiedlichen systematischen Gruppen angehören, verwandt sind. Die Bakterien haben alle bis zu einem gewissen Grad das gleiche photosynthetische System.
Das Team um Robert Blankenship, Professor an der Arizona State University, folgerte daraus, dass die Photosynthese-Gene daher im als verwandt identifizierten Gensatz enthalten sein müssten.
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Komplexe Entstehung |
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Weiters wurden mathematische Analysen vorgenommen, um mögliche evolutionäre Verwandtschaften aufzudecken. Doch die Gene lieferten unterschiedliche Ergebnisse.
Bei einer "Stammbaumanalyse" der Gene stellte sich heraus, dass die Gene verschiedene Evolutionsgeschichten haben. Das weist nach Ansicht der Wissenschaftler auf die Entstehungsgeschichte einer so komplexen biochemischen Maschinerie wie der Photosynthese hin.
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Vom Teil zum Ganzen durch Genaustausch |
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Die verschiedenen Teile des Systems entwickelten sich getrennt voneinander in unterschiedlichen Organismen, wo sie vielleicht auch andere Funktionen als heute erfüllten. Durch Bakterienfusion oder durch Genaustausch, so wird vermutet, wurden die einzelnen Teile zu einem Ganzen vereint.
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Pharmakologische Anwendungen möglich |
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Diese Studie gibt einen Einblick in die Art und Weise, wie komplexe Stoffwechselwege entstehen und liefert nach Robert Blankenship einen Ausgangspunkt, um neue Vorgänge in Mikroorgansimen zu designen - wie zum Beispiel die vielstufige Synthese von Drogen.
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01.01.2010 |
