Bewerkstelligung des dunkel:hell Übergangs durch dynamische Mikro-Kompartmentalisierung in Pflanzen-Mitochondrien

• Antragsteller: Dr. Holger Eubel; Professor Alisdair Fernie, Ph.D., seit 2/2018
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289286676

Mitochondrien sind charakteristisch für alles komplexe Leben. Sie beherbergen die Zellatmung als Quelle der großen ATP-Mengen, die für zentrale zelluläre Prozesse benötigt werden, und Bewegung, Wachstum und Entwicklung erst ermöglichen. In Pflanzen ändert sich diese Situation jedoch mit dem Sonnenaufgang dramatisch. Dann übernimmt die Photosynthese die Rolle des dominierenden bioenergetischen Prozesses und die physiologische Umgebung, in der die Mitochondrien arbeiten, verändert sich tiefgreifend. Durch die Photosynthese verschieben sich die zellulären Metabolit- und Co-Faktor-Speicher und die lokalen Sauerstoffkonzentrationen erhöhen sich. Der flexible mitochondriale Stoffwechsel von Pflanzen unterstützt die Veränderungen in der Zellphysiologie aktiv und macht effiziente Photosynthese überhaupt erst möglich. Dies setzt eine strikte Koordination zwischen Chloroplasten und Mitochondrien voraus, welches einer regelmäßigen Umstrukturierung mitochondrialer Funktionen zwischen Licht und Dunkelheit bedarf. Solch tiefgreifende Änderungen mitochondrialer Funktionen finden sich nur in Pflanzen.Das hier ausgeführte Projekt widmet sich der Frage, wie die rasche Anpassung mitochondrialer Funktionen während des Übergangs von Dunkelheit zu Licht in grünen Pflanzengeweben gesteuert wird. In dem vorliegenden Antrag auf Forschungsförderung schlagen wir eine Untersuchung der Änderungen mitochondrialer Protein:Protein-Interaktionen vor, die durch den Sonnenaufgang induziert werden. Die Zusammenlagerung von Enzymen zu Proteinkomplexen führt zur Bildung von Mikro-Kompartmenten, welche Diffusionswege verkürzen und Stoffumsätze von Stoffwechselwegen erhöhen können. Zusätzlich wird der Verlust von Intermediaten in abzweigende oder konkurrierende Reaktionen reduziert, wodurch die metabolische Effizienz insgesamt erhöht wird. Für Mitochondrien aus Säugetieren und Hefen wurden Protein:Protein Interaktionen innerhalb der mitochondrialen Matrix mit potenziellen regulatorischen Funktionen bereits beschrieben. Ähnliche Ergebnisse wurden auch in pflanzlichen Mitochondrien erzielt. Um zu klären, in welchem Ausmaß entsprechende Mechanismen für die Regulation der Aktivität pflanzlicher Mitochondrien bei Sonnenaufgang verantwortlich sind, schlagen wir in diesem Antrag eine Kombination aus biochemischen und genetischen Ansätzen vor, die es uns erlaubt, Protein:Protein Interaktionen innerhalb der mitochondrialen Matrix sowohl breitgefächert, als auch sehr detailliert zu untersuchen. Unterstützt werden diese Analysen von physiologischen Untersuchungen, welche ein Korrelation der beobachteten Änderungen in den Protein:Protein Interaktionen mit dem veränderten physiologischen Status der Mitochondrien nach Sonnenaufgang erlauben.Gemeinsam mit zwei weiteren Forschungsvorhaben der Pflanzen-Mitochondrien in neuem Licht Initiative wird dieses Projekt tiefe, neue Einblicke in jene Mechanismen gewähren, die mitochondriale Funktion in photosynthetischen Organismen bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Toshihiro Obata, Ph.D., bis 2/2018