Photosynthesis

Photosynthesis

Earth is a planet that thrives and teems with life of incredible diversity, from plants of all shapes and sizes to animals that span a vast spectrum of complexity. The engine that powers the majority of life in the biosphere is photosynthesis[1]. This crucial process allows plants, algae, and some single-celled organisms to support themselves by converting light energy into chemical energy, which is used to synthesise organic compounds. In addition, it indirectly sustains most of the life in the biosphere by providing organic matter, food and oxygen.

The following clip from a Mini Lecture on photosynthesis describes why no other chemical process is as crucial for the existence of life.

Photosynthesis (2015) - Photosynthesis is the most crucial chemical process for the existence of life on earth.

Every mammal and thus every human needs oxygen to live. The gas makes up around 20 percent of the air around us. But where does it come from? It’s produced by photosynthesis a complex physical-chemical reaction that takes place in the leaves of plants. No other chemical process is as crucial for the existence of life on Earth. Plants don’t only generate the air we breathe, they are also so-called ‘primary producers’ that use inorganic materials to make the biomass that feeds other organisms. Without plants no food and no tertiary consumers like us humans. Photosynthesis captures the energy from sunlight to reduce carbon dioxide to sugars. This process involves splitting water. The photosynthetic process converts light energy into chemical energy. The all-important oxygen that results from the water splitting is merely a by-product. This process by which biology harvests energy is photosynthesis. And it’s an incredibly complex process but consists of 2 separate reactions, the so-called light reaction where solar energy is used to split water and generate oxygen and reducing equivalents. And of course without this reaction there would be no life on Earth. The reaction takes place in cell structures called chloroplasts. A single square millimeter on the surface of a leaf may have a half million of these kidney-shaped organelles. They contain the pigment chlorophyll which gives the leaf its green color. Two forms, chlorophyll a and b, along with other pigments called carotenoids, have a very special ability. Thanks to their chemical structure they are able to absorb sunlight and harness the captured energy to drive biochemical processes. Sunlight contains a broad spectrum of different wavelengths. When it strikes matter can be reflected, transmitted or absorbed. The wavelengths that are absorbed by a leaf are eliminated from the reflected or transmitted residual light. Chlorophyll absorbs light in the red and blue regions of the spectrum while green light in the wavelength range of around 500 to 570 nanometers is reflected. That’s why leaves appear green. Photosynthesis consists of two coupled reaction chains. In the first one, called the ‘light reaction’, the photons of the sunlight excite electrons in chlorophyll into to an energetically higher state. These electrons are captured by so-called ‘acceptors’ and passed on through a series of transport steps. The missing electrons in the chlorophyll molecules are replaced by electrons produced by the splitting of water molecules. This process releases the oxygen that we breathe in from the atmosphere. Two different complexes in the chloroplast membrane called ‘photosystems’ are excited by sunlight and the energy they capture is used to build up the energy-rich compounds adenosine triphosphate and NADPH along with a proton, H+ The electron flow in the photosynthetic membranes of chloroplasts and also cyanobacteria is seen here. You have in the plant and in cyanobacteria, you have first photo system 2. Photo system 2 is where the water splitting occurs with the release of the oxygen. You get a transfer of the electrons across the membrane. And there the electron moves on to another complex. Then you’re going to a PC1 complex where you transfer the electrons back across the membrane. You produce another molecule, called plastocyanin, this donates electrons to the photo system 1. Then the electrons are transferred here to another, to ferredoxins and at the end you reduce NADPH, which is a co-enzyme. So this is what happens in the light reaction. These molecules are used in the second set of photosynthetic reactions, the Calvin Cycle, to synthesize the sugar, glucose. The carbon dioxide needed for that is taken in through pores, or stomata, in the epidermis of the leaf. A certain protein, called the RuBisCo protein for short, is particularly important in the Calvin cycle. It catalyzes the first major step in the cascade of reactions that “fixates” the CO2 diffusing in through the stomata. RuBisCo is estimated to be the most abundant protein on earth. So, photosynthesis uses a highly elegant method of converting solar energy into chemical energy. We humans can indeed be jealous. If we were able to mimic the principles of photosynthesis on a large scale, it could have enormous potential for generating clean energy. Scientists around the world are working intensely on a way of imitating the process a collaboration of more than 160 researchers from various disciplines and universities in the United States. The project was founded in 2010. The researchers are focusing on developing high-performance photocatalysts based on the natural process of photosynthesis. Photocatalysts speed up light-triggered decomposition reactions that can be used to generate energy The idea is ultimately to produce a kind of “solar fuel”. Our goal is to produce an electric vehicle by 2022 that would cost... a 4 or 5 passenger car that would cost about $20,000/$25,000. And we call this 'EV Everywhere'. We got the president to announce this. So this was a good coup for us. You could say, well, you know electric cars, who wants to buy electric car, not a very exciting tiny thing. But let me tell you, I have a friend who owns one of these babies. This is a Tesla S, a very, very exciting car. You know, I don’t know why, who wants to go to 0-60 in 4.5 seconds but that’s what it does. And it goes 300 miles on a single charge. And if you look on the inside, that big thing in there is an LED display touch screen that is like a humongous iPhone. And you can touch it and it’s as intuitive as an iPhone. My friend... I’ve ridden in this a couple of times and he just raves about it. He loves this car. But this car costs nearly $80,000. And so you’ve got to get the price of the car down. The performance is there, it has more luggage space than a normal car. It has a front and a back trunk because the battery is underneath. One major problem is still how best to store the generated energy. Research is also focused on finding the appropriate materials for inexpensive and sustainable catalysts. A prototype of an artificial leaf already exists and in fact it has an energy yield ten times that of a normal leaf. Artificial photosynthesis could generate oxygen in extraterrestrial colonies or here on Earth provide entire towns in the developing world with electricity –at least that is the vision. But whether it will be realized remains to be seen. One thing is clear: the Age of Photosynthesis, a three billion year old natural processs, has really only just begun.

A brief introduction to photosynthesis
(00:00:15 - 00:01:20)

The complete video is available here.

Sir John E. Walker covered the basics of photosynthesis and its importance to life at the beginning of his Lindau lecture in 2013. He received the 1997 Nobel Prize in Chemistry for elucidating the structure of adenosine triphosphate (ATP) synthase, an enzyme which assists in the building of ATP molecules that both plants and animals use to store energy[2].

Sir John Walker (2013) - The Fuel of Life

So I'm a chemist who lapsed into biology and that magic number 35 years ago comes up again. And when I became interested in where biology gets its energy from and how it handles it. And of course the biological energy comes from the sun. But there is another source of biological energy and that's geothermal energy which the biological world at the bottom of the oceans receives from the thermal vents. I won't discuss that. So you're familiar with the idea of harvesting solar energy through solar panels and also through hydroelectric power stations because they also are harvesting solar energy. That the sun evaporates the oceans, it makes the clouds, rain falls on mountains and then it's collected in dams. And the potential energy of the water stored in the dams drives turbines to generate electricity. And that's actually quite a useful analogue for what happens in biology as you'll see in a moment. This process by which biology harvests energy is photosynthesis. And it's an incredibly complex process but consists of 2 separate reactions, the so-called light reaction where solar energy is used to split water and generate oxygen and reducing equivalents. And of course without this reaction there would be no life on Earth. So this is where the oxygen that we respire comes from. And then the reducing equivalents are used in the so-called dark reaction to fix carbon dioxide and generate high energy organic molecules which we consume as food stuffs. And so we harvest the products of photosynthesis on an industrial scale through agriculture and then consume the high energy compounds, the carbohydrates that are generated here in the form of corn which we then either consume directly or we feed to animals and then consume the energy in the form of fats and proteins from the animals. And the question I want to address is: Where do we convert energy in our bodies? So here you are on the left with your organs and each of these organs is made of cells. So here's a typical human cell. So all human cells look like this apart from red blood cells. They contain a nucleus where all the genetic, almost all the genetic information is kept. The cell is bounded by a hydrophobic membrane to contain the contents of the cell. And besides the nucleus in the cytoplasm of the cell are organelles, the Golgi apparatus which is kind of post office, the endoplasmic reticulum where proteins are made, lysosomes which are effectively recycling stations and the mitochondria. So it's the mitochondria I'm going to be talking about. They're the power stations of cells. And they have quite complex structures. So they actually have 2 membranes, not 1. So there's an outer membrane depicted in blue. And inside there's the inner membrane which you can see is highly folded. And it's in those highly folded membranes that the key steps in biological energy conversion in our bodies take place. Now the process as you'll see is complex but at the heart of it lies a very simple piece of chemistry. So if the sphere represents those highly folded membranes, the chemical energy that is being released from the food stuffs that you ingest by oxidative process effectively by controlled burning, that chemical energy is being used simply to transfer protons from the inside space to the outside space. And this builds up an excess of protons in the outside space. And this excess of protons is a source of potential energy. And it's referred to in bioenergetics as the proton motif force by analogy with the electron motif force in electricity. And effectively it is a voltage. And we generate across our inner membranes by this process a voltage of approximately -200 millivolts. And that energy store, that potential energy, can be coupled to other processes and made to do work. And so as I'll show you in a moment the packages of biological energy that come out of mitochondria. So this is the molecule adenosine triphosphate. It's a high energy molecule. It's produced by machines. And so there are the proton pumps that I've just depicted that harvest the energy and generate the proton motif force which is analogous to the dam of water in a hydroelectric power station. And then there's a turbine that converts this energy and uses it to drive the production of this useful fuel adenosine triphosphate. And then there has to be a transport system because the energy packets are being produced inside the mitochondrion. There has to be a transport system to deliver those energy packets to the cell, to supply the cell with the energy that it needs to do everything that it does, to produce proteins, to replicate DNA and so forth. So in a simplified form now this is...the grey box represents the inner membrane of the mitochondrion and embedded in that membrane are 3 proton pumps and they're called complexes 1, 3 and 4. And so the products of oxidative metabolism, the burning of sugars and fats, which I'm not going to describe produces redox energy in the form of the molecule NADH., nicotinamide adenine dinucleotide in its reduced form. And the reducing equivalents of electrons are fed into this extra-membranous arm of this huge complex here. So this is a protein complex built of 45 different proteins. They have a combined molecular mass of about 1 MDa. And the electrons are transferred through this membrane arm by quantum electron tunnelling events. And they arrive at a quinone that is bound in this region here. The quinone is bound in the oxidised form. It becomes reduced. So here's the reduced quinone. And then equilibrates into the hydrophobic membrane. And concomitant with this process of reduction of the quinone protons are ejected from the inside space to the outside space. This is a matter of very active research at the moment. And the precise mechanism by which proton translocation occurs is not yet elucidated. But we know that for each 2 electrons that pass one at a time through this extra-membranous arm transferred to the quinone, we know that for each 2 electrons 4 protons are ejected from the mitochondrion. And then the reduced quinone carries the electrons to the next proton pump. This is called complex 3 or the cytochrome bc1 complex which is made of another 11 proteins. It's actually a dimeric complex. You can see there's a plain of symmetry running through the middle here. And here we have a rather complete understanding of how the protons are pumped from the membrane to the quinone. Reduced quinone binds, transfers energy into this complex. I won't describe what happens in detail, there isn't time. But oxidised cytochrome c binds in this region here. So this is the space between the 2 membranes, the outside of the inner membrane. So oxidised cytochrome c interacts here, becomes reduced. It then loses its affinity for this complex and then carries the electrons to the third proton pump in this chain. So this is the terminal oxidase that Hartmut Michel is going to talk about in the next talk. And by the way this is the site at which cyanide would kill Schrödinger's cat. It would actually inhibit or not as the case may be. It would actually inhibit this complex. And what happens at this enzyme is that almost all the oxygen that we breathe in becomes reduced back to water. So oxygen is being produced by photosynthesis and in our mitochondria it's being converted back to water. And again concomitant with these events more protons are ejected from the inside space of the mitochondrion. And there's quite a complete understanding of how this enzyme works, but not a completely, not a totally complete understanding. So this briefly is how redox energy generated by oxidation of sugars and fats is converted into the proton motif force. So this is how the potential energy is built up. And then the potential energy is used by this device here that I'm going to describe in detail, which then generates adenosine triphosphate from adenosine diphosphate and inorganic phosphate. So the ATP is made here inside the mitochondrion and is then shuttled out by this protein here which is called ADP/ATP translocase. So it's exchanging internal ATP and taking it out and making fuel available in the cytoplasm and bringing back the spent fuel ADP to be reconverted back into ATP. And there's a related protein that brings back the phosphate. And so there's a very active cycle of generation of ATP and mitochondria being taken out into the cell, used up and then the spent fuel being back and regenerated. And from the amount of oxygen that we breathe in daily we can calculate how much ATP each of us is making by this process. And each of us makes about 60 kilograms of ATP in this way every day. So let me describe the turbine, the enzyme that's making adenosine triphosphate. These are pictures taken in the 1960s of inner membranes in mitochondria. And if you look carefully you can see that there are kind of lollypops attached to the surface. And this is the turbine, the ATP generating enzyme. So over the years my colleagues and I have built up this structural model of the turbine. So it's made of 30 proteins approximately. And the part shown in balls we've resolved to atomic resolution using mainly x-ray crystallography but also nuclear magnetic resonance. And so this is the catalytic part. You can see the ADP and phosphate molecules going into that interface there and then something happens. They're brought together. Chemistry happens and then ATP emerges. There are 3 such catalytic sites in that region. And the chemistry is driven by the rotation of this central shaft. This is going around at about 100 to 200 times a second driven by the proton motif force across the membrane. So protons go back through the interface between the rotating ring and the green protein here. This is a stator structure that's holding the catalytic part static relative to the rotation of the rotor. So the rotor itself contains 9 different proteins. And one of the things that I've been interested in recently is that this ring here in humans is made of 8 identical proteins. And I'll show you in a moment. It takes 8 protons to go through the membrane to generate 360 degrees of rotation. But this region here is stepping through 120 degree steps. And this is the stepping action. Each step brings about the synthesis of one ATP molecule. So how can this be that this has got 8-fold steps and this has got 3-fold steps? And of course what it means is that energy has to be stored transiently. It's somewhere in this structure and then released in a quantised fashion to bring about the 120 degree stepping action. And so this rotor that's driven around by the proton motif force has a number of elements that it's useful to think about derived from manmade machines. So there's a spring, we think, that's responsible for the transient storage of energy. And then there's a crank which you've just seen. So the asymmetric structure turning around in the middle of the catalytic part. This modulates the properties of the catalytic sites. In one state the sites are able to bind ADP and phosphate. In the second state they make ATP and in the third state they release the ATP. And so the chemistry is dependent upon this asymmetrical crank. And then there has to be a bearing which has friction in it in order to generate torque, in order to generate the 120 degree stepping action. So this is the way we think about this structure here. So the blue part is the catalytic part that I'm not going to describe in detail today. Here is the rotor and the ring in the membrane. So the ring driven by the proton motif force is responsible for torque generation. We think that the energy is stored transiently in this lower red part here. So it's like a fly wheel or a spring in this mechanical analogue, I've shown here on the right. And then this part is the crank or the cam which is revolving and pushing the pistons in this part here to make the chemistry happen. And here is the bearing with friction in it which has to hold at some point in order to generate the torque and the 120 degree stepping action. And so in this mechanical depiction here, here's the flywheel. This is the cam. And here are the pistons pushing against the catalytic parts of the enzyme to make the chemistry happen. So I'll try and explain to you how rotation is generated. So here is the ring in the membrane here, it's made of proteins. They're called C proteins. They're very simple proteins. They just have 2 transmembrane alpha helices linked by a loop in this region here. So the asymmetrical rotor is attached to the top of the ring. And the catalytic part is up here in the ceiling space. Now the most important property of this ring is that although this is a hydrophobic environment nonetheless there are carboxyl groups on each of the C proteins. And in this model here we've drawn it with 12 C proteins in the ring. So there are 12 carboxyl groups disposed around the circumference of the ring. And in this region here the green protein, the A protein, is closely associated with the blue ring. And the idea is that the A protein provides a half channel that allows protons to access negative charges in this region here. And once neutralised this negative charge is more hydrophobic and so it will simply move to this position here via Brownian motion. And that brings another negative charge here. Another proton goes in and so forth. And so the neutralised carboxyls carry the protons around the ring until they reach this point here which has the properties of making the carboxyl re-ionise, regenerate the negative charge and release the proton on the other side of the membrane. And the reason that the rotation is unidirectional is that there is as it were a tremendous pressure of protons in this direction because of the -200 millivolts across this structure. And so that pushes the ring around in the direction shown. Now one of the questions that I had been interested in is how many protons are required to make each ATP molecule. And in the example if there were 12 C proteins in the ring each 360 degrees of rotation would therefore consume 12 protons. That 360 degrees of rotation as I've mentioned briefly would generate 3 ATP molecules up here. And so in this model the cost of making each ATP would be the translocation of 4 protons. And so as it says here each 360 degrees generates 3 ATPs. A full rotation requires 1 proton per C protein. And therefore the proton-ATP ratio is the ring symmetry divided by 3. Now people expected that there would be one ring symmetry throughout the whole of biology. But biology is more complicated than that. And the ring symmetries differ on the one hand between multicellular life and on the other hand between unicellular life. And therefore this is not as people had supposed a universal number. And these are the cross sections of rings from the human enzyme depicted here. From saccharomyces cereviciae, brewer's yeast. This is from a bacterium that's got 11-fold symmetry. Here is 13-fold symmetry, this is the enzyme found in a bacterium. And so what this means is that the enzymes containing these different sizes of ring pay different energy costs. So this bacterium is paying 5 protons to make each ATP molecule whereas we pay 2.7 protons to make each ATP. So what these rings represent are different gears in the motor. This is the lowest gear, this is the highest gear. And the idea is that because we're able to generate -200 millivolts, we're able to drive this high gear and operate with higher efficiency. Whereas this organism lives in an energetically relatively deprived ecological niche, it is supposed and therefore it's not able to generate the -200 millivolts. It generates a lower potential and so the price it has to pay is then to drive a lower gear costing more energy to make each ATP molecule. Now I've been interested in the last 2 or 3 years to find out whether this C8 solution that we find in man persists throughout chordates. And we've produced evidence now that the C8 solution is found in birds, reptiles, mammals of course, amphibians, ray-finned fishes and cartilaginous fishes. We've not looked at tunicates yet. And so the C8 solution, 2.7 protons per ATP, obtains for 50,000 species of vertebrates. And we've latterly been looking at invertebrates. We looked at echinoderms, chordates I've mentioned, annelid worms, brachiopods, molluscs, crustaceans, insets and nematode worms. And in all these cases the C8 solution also obtains. We're currently looking at porifera, sponges. And my bet is that the C8 solution will also apply to the whole of multicellular life. And so this would be 2 million species in addition to the 50,000 species of vertebrates. Whereas we know that in the unicellular world, in yeast for example, they pay 10 divided by 3 protons to make each ATP. So this seems to be a solution for multicellular life and other solutions apply to unicellular life depending on the situation in which the animals live. To my mind this leaves a lot of unanswered questions. It opens up all kinds of other questions that I don't have time to discuss here. But I find it very surprising that the whole of multicellular life, given the diversity of niches, ecological niches in which those animals are found, that a single solution applies to all those animals. So at the end I just wanted to say a few more general things about this field of bioenergetics. About some of the...how we can apply our knowledge of bioenergetics to solve some of the challenges that you will be faced with. As we know we have an aging population and the process of aging itself is certainly related to processes that are linked to energy conversion in mitochondria. And as we age also there's an increase in the incidence of neurodegenerative diseases in the population. And again there's a link to the energy converting processes in mitochondria. I'll say a little bit more about this in a moment. We're also trying to use up knowledge of bioenergetics to generate new drug targets to combat this problem of drug resistance in relation to infectious disease. And in fact the only drug to be introduced against tuberculosis in the last 30 years is in fact an inhibitor of the ATP synthesising turbine in that microorganism. So, one can make drugs which will affect the ATP generating machine in the microorganism without affecting the ATP generating machine in our bodies. And then I also want to say 1 or 2 words about increasing demand for energy. So, I said at the beginning that almost all genetic information is in the nucleus of the cell. And the reason for that qualification is that the mitochondrion also contains a small amount of DNA, certainly 17 kilobases of DNA and 32 genes. Now that DNA molecule differs from the DNA in your nucleus in so far as it's derived entirely from your mother, there is no paternal component in there. And so any mutation in the mitochondrial DNA that leads to disease will be inherited in a matrilineal fashion, in a non-Mendelian fashion. And this is a characteristic of the so called mitochondrial diseases. They almost inevitably lead to neuromuscular disease. And these are diseases of early life. And in the western world about 1 in 6,000 of the population are affected by these diseases. But there's also, as I said a few moments ago, increasing evidence for the involvement of the dysfunctional mitochondria in Parkinson's disease, Alzheimer's disease and Huntington's disease, these scourges that are increasing in our population. In the case of familial Parkinson's disease where the disease is inherited there's no doubt whatever that that arises from dysfunction in the mitochondria. In the case of sporadic Parkinson's disease which is a more common form of it the links are not so clear yet. But there clearly are links. There's also, apart from the involvement of mitochondrial dysfunction in neurodegenerative disease, there's also involvement in cancer and involvement in aging. I don't have time to go into those topics. Now, you may have noticed in the last few days that the mitochondria have been in the headlines. And so I took this from the Daily Telegraph: "Britain could create the first "3-parent baby" through IVF." And then the same newspaper said: "Three parents: Sorry, but this is science gone mad." So this is the way of correcting those diseases where the mutations are in the human mitochondrial DNA. So what one does is to take a mother who is carrying the mutation, you fertilise the egg, you then take the nucleus from the fertilised egg and transfer it into a cellular background where you've removed the nucleus where the mitochondria still exist from a donor that is not carrying the mutation. And so that's where the third parent comes in. The 2 normal parents to make the fertilised egg. The third parent to provide the mitochondria. And this is a therapy that's been developed at Newcastle University in Britain. And there is now permission to go ahead with this and use it in a clinical setting. So finally I want to just mention something about the energy crisis. So, in 1950 the population of the world was 2.5 billion. Today it's 7 billion. And the population is increasing by a billion every 13 years. And not only is there a problem with the increase in the population but as this index, the human development index, that's defined here, it contains life expectancy, adult literacy, school enrolment and GDP per capita, as this index goes up so does the demand for energy. So it's not just a question of the population increasing, it's a question of demands from developing nations increasing as their development index goes up. And at the moment 85% of our energy comes from fossil fuels, mostly from oil and gas and coal. We require 15 terawatts of electricity. So that's 150 billion 100 watt bulbs, light bulbs burning continuously. And by 2050 that will have doubled to 30 terawatts. And you'll notice the United States consumes currently 3.5 terawatts. And alongside that increasing demand for energy is this relentless rise in atmospheric carbon dioxide. So this shows figures up to 2004. But it continues in the same fashion up to the current day. So, all that I was going to say at the end is that we can use our knowledge of bioenergetics to contribute to producing greener forms of energy. And that topic will be discussed here at this conference. So I end there and thank you very much. Applause.

Ich bin Chemiker, aber meine Leidenschaft gehört der Biologie. Für mich gibt es eine magische Zahl: 35. Vor 35 Jahren wurde mein Interesse daran geweckt, woher die Biologie ihre Energie bezieht und wie sie damit umgeht. Die biologische Energie kommt natürlich von der Sonne. Es gibt allerdings noch eine andere Quelle biologischer Energie – die geothermische Energie. Die biologische Welt auf dem Grund der Ozeane bezieht sie aus den Hydrothermalquellen. Darauf werde ich aber heute nicht eingehen. Sie sind vertraut mit der Idee, Sonnenenergie mittels Sonnenkollektoren zu gewinnen – oder aus Wasserkraftwerken, denn auch dort wird Sonnenenergie gewonnen. Die Sonne lässt die Ozeane verdunsten, sie erzeugt Wolken, Regen fällt auf die Berge und wird in Stauseen gesammelt. Die in den Stauseen gespeicherte potentielle Energie des Wassers treibt Turbinen an und erzeugt Elektrizität. Wie Sie gleich sehen werden, ist das eine sehr nützliche Analogie für das, was in der Biologie geschieht. Der Prozess, durch den die Biologie Energie gewinnt, ist die Photosynthese. Das ist ein unglaublich komplexer Prozess, der aus zwei Teilreaktionen besteht – einmal aus der sogenannten Lichtreaktion, bei der Sonnenenergie zur Spaltung von Wasser sowie zur Erzeugung von Sauerstoff und Reduktionsäquivalenten genutzt wird. Natürlich gäbe es ohne diese Reaktion kein Leben auf der Erde. Von ihr kommt der Sauerstoff, den wir atmen. Und die Reduktionsäquivalente dienen dann in der sogenannten Dunkelreaktion der Bindung von Kohlendioxid und der Erzeugung energiereicher organischer Moleküle, die wir als Nahrungsmittel verwenden. Durch die Landwirtschaft ernten wir die Produkte der Photosynthese in industriellem Maßstab und verbrauchen dann die energiereichen Verbindungen – die in Form von Getreide erzeugten Kohlenhydrate, die wir entweder unmittelbar konsumieren oder an Tiere verfüttern; wir konsumieren die Energie als tierische Fette und Proteine. Die Frage, mit der ich mich heute beschäftigen möchte, lautet: Wo wandeln wir Energie in unseren Körpern um? Hier, auf der linken Seite, sehen Sie Ihre Organe; jedes dieser Organe besteht aus Zellen. Hier haben wir eine typische menschliche Zelle. Abgesehen von roten Blutkörperchen sehen alle menschlichen Zellen so aus. Sie enthalten einen Kern, in dem die gesamte, fast die gesamte genetische Information gespeichert ist. Die Zelle wird von einer wasserabweisenden Membran umschlossen, die den Inhalt der Zelle zusammenhält. Außer dem Zellkern befinden im Zytoplasma der Zelle Organellen – der Golgi-Apparat, der so etwas ähnliches wie ein Postamt ist, das endoplasmatische Retikulum, wo die Proteine erzeugt werden, Lysosomen, die Recycling-Stationen ähneln und die Mitochondrien. Die Mitochondrien sind das Thema, über das ich sprechen werde. Sie sind die Kraftwerke der Zellen. Und sie weisen sehr komplexe Strukturen auf. So haben sie zwei Membranen, nicht eine. Es gibt eine äußere Membran, die hier blau dargestellt ist. Die innere Membran ist stark gefaltet, wie Sie sehen können. Diese stark gefalteten Membranen sind Schauplätze für die entscheidenden Schritte der biologischen Energieumwandlung in unserem Körper. Wie Sie sehen werden, handelt es sich um einen komplexen Prozess, dem aber ein sehr einfaches Stück Chemie zugrunde liegt. Der Kreis stellt diese stark gefalteten Membranen dar. Die chemische Energie, freigesetzt aus den Nahrungsmitteln, die man in einem oxidativen Prozess gewissermaßen durch kontrolliertes Verbrennen aufnimmt, diese chemische Energie wird einfach dazu verwendet, Protonen aus dem Innenraum in den Außenraum zu transferieren. Das führt zu einem Überschuss an Protonen im Außenraum. Dieser Protonenüberschuss ist eine Quelle potentieller Energie. Er wird in der Bioenergie protonenmotorische Kraft genannt, in Analogie zur elektronenmotorischen Kraft in der Elektrizität. Im Grunde handelt es sich um eine Spannung. Durch diesen Prozess erzeugen wir in unseren inneren Membranen eine Spannung von -200 Millivolt. Dieser Energiespeicher, die potentielle Energie, kann an andere Prozesse gekoppelt und zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden. Wie ich Ihnen gleich zeigen werde, sind die biologischen Energiepakete, die aus den Mitochondrien kommen… das ist das Molekül Adenosintriphosphat, ein sehr energiereiches Molekül. Es wird von Maschinen produziert. Die Protonenpumpen, die ich gerade beschrieben habe, gewinnen die Energie und erzeugen die protonenmotorische Kraft, die dem Stausee eines Wasserkraftwerks entspricht. Und es gibt eine Turbine, die diese Energie umwandelt und sie dazu verwendet, die Produktion dieses nützlichen Kraftstoffs Adenosintriphosphat anzutreiben. Dann muss es ein Transportsystem geben, denn die Energiepakete werden im Inneren des Mitochondriums produziert. Es muss ein Transportsystem geben, das diese Energiepakete an die Zelle liefert, das die Zelle mit der Energie versorgt, die sie für alles braucht, was sie tut – zur Produktion von Proteinen, zur Replikation von DNS und so weiter. In vereinfachter Form ist das… der graue Kasten stellt die innere Membran des Mitochondriums dar. In diese Membran sind drei Protonenpumpen eingebettet; sie werden Komplex I, III und IV genannt. Die Produkte des oxidativen Stoffwechsels, die Verbrennung von Zucker und Fett – worauf ich nicht eingehen werde – produzieren Redoxenergie in Gestalt des Moleküls NADH, Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid, in seiner reduzierten Form. Die Reduktionsäquivalente von Elektronen werden in den außerhalb der Membran liegenden Arm dieses riesigen Komplexes eingespeist. Es handelt sich dabei um einen Proteinkomplex aus 45 verschiedenen Proteinen, die zusammen eine Molekularmasse von etwa 1 MDa aufweisen. Die Elektronen werden mittels quantenelektronischer Tunnelprozesse durch diesen Membranarm transferiert, und sie gelangen zu einem Chinon, das in dieser Region gebunden ist. Das Chinon ist in oxidierter Form gebunden. Es wird reduziert. Hier ist das reduzierte Chinon. Und dann equilibriert es in die wasserabweisende Membran. Gleichzeitig mit diesem Prozess der Reduktion des Chinons werden Protonen vom Innenraum in den Außenraum ausgestoßen. Das ist derzeit Gegenstand einer sehr regen Forschungstätigkeit. Der genaue Mechanismus, durch den die Protonentranslokation durchgeführt wird, ist derzeit noch unklar. Wir wissen aber, dass für je zwei Elektronen, die einzeln diesen außerhalb der Membran befindlichen Arm passieren und zum Chinon übertragen werden... Wir wissen, dass für je zwei Elektronen vier Protonen aus dem Mitochondrium ausgestoßen werden. Dann transportiert das reduzierte Chinon die Elektronen zur nächsten Protonenpumpe, genannt Komplex III bzw. Cytochrom bc1-Komplex, die aus weiteren elf Proteinen besteht. Es handelt sich um einen dimeren Komplex; wie Sie sehen, läuft hier durch die Mitte eine Symmetrieebene. Wir haben ein ziemlich vollständiges Verständnis davon, wie die Protonen von der Membran zum Chinon gepumpt werden. Reduziertes Chinon bindet, überträgt Energie in diesen Komplex. Ich werde nicht im Einzelnen beschreiben, was da geschieht; die Zeit ist zu knapp. Doch oxidiertes Cytochrom c bindet in dieser Region. Das ist der Raum zwischen den zwei Membranen, die Außenseite der inneren Membran. Oxidiertes Cytochrom c tritt hier in Wechselwirkung, es wird reduziert. Dann verliert es seine Affinität für diesen Komplex und transportiert die Elektronen zur dritten Protonenpumpe in dieser Kette. Hierbei handelt es sich um die terminale Oxydase, über die Hartmut Michel im nächsten Vortrag sprechen wird. Übrigens ist das der Ort, an dem Zyanid Schrödingers Katze töten würde. Es würde diesen Komplex hemmen – oder auch nicht, je nachdem. An diesem Enzym geschieht Folgendes: Fast der gesamte Sauerstoff, den wir einatmen, wird wieder zu Wasser reduziert. Sauerstoff wird also durch die Photosynthese produziert, und in unseren Mitochondrien wird er wieder in Wasser umgewandelt. Und wieder werden gleichzeitig mit diesen Geschehnissen weitere Protonen aus dem Innenraum des Mitochondriums gestoßen. Es herrscht ein ziemlich vollständiges Verständnis davon, wie dieses Enzym arbeitet, aber das Verständnis ist nicht absolut vollständig. Das ist in aller Kürze die Art und Weise, wie die durch die Oxidation von Zucker und Fetten erzeugte Redoxenergie in die protonenmotorische Kraft umgewandelt wird. Auf diese Weise wird die potentielle Energie aufgebaut. Genutzt wird die potentielle Energie dann von diesem Gerät hier, das ich ausführlich beschreiben werde. Es erzeugt Adenosin-Triphosphat aus Adenosin-Diphosphat und anorganischem Phosphat. Das ATP wird also hier, im Inneren des Mitochondriums, erzeugt; dann wird es von diesem Protein namens ADP/ATP-Translokase hinausgeschleust. Das Protein tauscht internes ATP aus, entnimmt es und stellt im Zytoplasma Treibstoff bereit, bringt den verbrauchten Treibstoff ADP zurück, um ihn wieder in ATP umzuwandeln. Und ein verwandtes Protein bringt das Phosphat zurück. Das ist ein äußerst aktiver Zyklus. In den Mitochondrien wird ATP erzeugt, hinaus in die Zelle transportiert und verbraucht; dann wird der verbrauchte Treibstoff zurückgebracht und regeneriert. Anhand der Sauerstoffmenge, die wir täglich einatmen, können wir berechnen, wieviel ATP jeder von uns durch diesen Prozess herstellt: Jeder von uns produziert auf diese Art und Weise jeden Tag ungefähr 60 Kilogramm ATP. Lassen Sie mich jetzt die Turbine beschreiben, das Enzym, das Adenosin-Triphosphat produziert. Das sind Bilder, die in den 1960ern von den inneren Membranen in Mitochondrien aufgenommen wurden. Wenn Sie genau hinsehen, erkennen Sie, dass an der Oberfläche etwas angebracht ist, das nach Lollys aussieht. Das ist die Turbine, das Enzym, das ATP erzeugt. Meine Kollegen und ich haben im Laufe der Jahre dieses Strukturmodell der Turbine erstellt. Es besteht aus ungefähr 30 Proteinen. Den in Kugeln dargestellten Teil haben wir bis zur atomaren Ebene aufgelöst, wobei wir hauptsächlich Röntgenkristallographie, aber auch kernmagnetische Resonanz eingesetzt haben. Das ist der katalytische Teil. Sie können sehen, wie sich das ADP sowie Phosphatmoleküle in diese Schnittstelle bewegen, und dann geschieht etwas. Sie werden zusammengebracht. Chemische Vorgänge laufen ab und ATP taucht auf. Es gibt drei derartige katalytische Orte in dieser Region. Die chemischen Vorgänge werden durch die Rotation dieser zentralen Welle angestoßen. Sie dreht sich etwa hundert- bis zweihundertmal in der Sekunde, angetrieben durch die protonenmotorische Kraft in der Membran. Protonen bewegen sich also zurück durch die Schnittstelle zwischen dem rotierenden Ring und dem grünen Protein. Das ist eine Statorstruktur; sie hält den katalytischen Teil relativ statisch zur Drehung des Rotors. Der Rotor selbst enthält neun verschiedene Proteine. Eines der Dinge, mit denen ich mich in letzter Zeit beschäftigt habe, ist die Tatsache, dass dieser Ring hier bei Menschen aus acht identischen Proteinen besteht. Ich zeige Ihnen das gleich. Für eine Drehung um 360 Grad müssen acht Protonen durch die Membran passieren. Doch diese Region hier bewegt sich in Schritten von 120 Grad. Das ist die schrittweise Drehung. Jeder Schritt bewirkt die Synthese von einem ATP-Molekül. Wie kann das sein – achtfache Schritte hier, dreifache Schritte dort? Das bedeutet natürlich, dass vorübergehend Energie gespeichert werden muss. Sie ist irgendwo in dieser Struktur, dann wird sie quantisiert freigesetzt, um die schrittweise 120-Grad-Drehung zu bewirken. Dieser durch die protonenmotorische Kraft bewegte Rotor hat viele Bestandteile, von denen man sich sinnvollerweise vorstellt, dass sie von menschlichen Maschinen abgeleitet sind. Es gibt eine Feder, so glauben wir, die für die vorübergehende Energiespeicherung verantwortlich ist. Dann gibt es eine Kurbelwelle, die Sie gerade gesehen haben. Die asymmetrische Struktur, die sich in der Mitte des katalytischen Teils dreht. Sie reguliert die Eigenschaften der katalytischen Orte. In einem Zustand sind die Orte in der Lage, ADP und Phosphat zu binden. Im zweiten Zustand stellen sie ATP her und im dritten Zustand setzen sie das ATP frei. Die chemischen Abläufe beruhen also auf dieser asymmetrischen Kurbelwelle. Dann muss es aber ein Lager geben, das Reibung aufweist, um ein Drehmoment zu erzeugen, um die schrittweise Drehung um 120 Grad zu bewirken. So stellen wir uns also diese Struktur vor. Der blaue Teil ist der katalytische Teil, auf den ich heute nicht im Einzelnen eingehen werde. Hier haben wir den Rotor und den Ring in der Membran. Der von der protonenmotorischen Kraft angetriebene Ring ist für die Erzeugung des Drehmoments verantwortlich. Wir glauben, dass die Energie in diesem unteren roten Teil vorübergehend gespeichert wird. Das ist wie ein Sprungrad oder eine Feder in dieser mechanischen Nachbildung, die Sie hier rechts sehen können. Dieser Teil ist die Kurbel- oder Nockenwelle; sie dreht sich und drückt auf die Kolben in dieser Gegend, um die chemischen Abläufe in Gang zu setzen. Und hier ist das Lager mit der Reibung, das an einem bestimmten Punkt anhalten muss, um das Drehmoment und die schrittweise 120-Grad-Drehung hervorzurufen. In dieser mechanischen Darstellung sehen Sie hier das Schwungrad. Das ist die Nockenwelle. Hier sind die Kolben; sie drücken gegen die katalytischen Teile des Enzyms, um die chemischen Abläufe in Gang zu setzen. Ich werde versuchen, Ihnen zu erklären, wie Rotation erzeugt wird. Hier ist der Ring in der Membran, er besteht aus Proteinen, C-Proteine genannt. Das sind sehr einfache Proteine. Sie haben nur zwei transmembrane Alpha-Helices, die durch eine Schleife in dieser Region verbunden sind. Der asymmetrische Rotor ist an der Spitze des Rings angebracht, und der katalytische Teil ist hier oben im Deckenraum. Die wichtigste Eigenschaft dieses Rings: Obwohl das eine wasserabweisende Umgebung ist – Sie erinnern sich, diese ganze Struktur ist in von einer Phospholipid-Doppelschicht umhüllt – befinden sich dennoch an jedem C-Protein Carboxylgruppen. Dieses Modell haben wir mit zwölf C-Proteinen im Ring gezeichnet. Rund um den Ring sind also zwölf Carboxylgruppen angeordnet. Und in dieser Region ist das grüne Protein, das A-Protein, eng mit dem blauen Ring verbunden. Man stellt sich vor, dass das A-Protein einen Halbkanal bildet, der den Protonen Zugang zu den negativen Ladungen in dieser Region verschafft. Ist diese negative Ladung neutralisiert, dann ist sie stärker wasserabweisend und wird sich mittels Brownscher Bewegung einfach in diese Position begeben. Das ruft hier eine weitere negative Ladung hervor, ein weiteres Proton kommt herein und so weiter. Die neutralisierten Carboxylgruppen transportieren die Protonen um den Ring herum, bis sie diesen Punkt hier erreichen, dessen Eigenschaften dafür sorgen, dass die Carboxylgruppen wieder ionisiert werden, die negative Ladung wiederhergestellt wird und die Protonen auf der anderen Seite der Membran freigesetzt werden. Der Grund dafür, dass die Rotation nur in eine Richtung geht, liegt darin, dass hier wegen der -200 Millivolt in der Struktur ein enormer Protonendruck in diese Richtung ausgeübt wird. Das dreht den Ring in die dargestellte Richtung. Eine der Fragen, die mich beschäftigt hatten, lautet: Wie viele Protonen benötigt man, um jeweils ein ATP-Molekül herzustellen? Wenn sich in dem Beispiel zwölf C-Proteine im Ring befinden würden, würde jede 360-Grad-Drehung zwölf Protonen verbrauchen. Diese 360-Grad-Drehung würde, ich habe das kurz erwähnt, hier oben drei ATP-Moleküle erzeugen. In diesem Modell würde also die Herstellung von je einem ATP die Translokation von vier Protonen kosten. Wie Sie hier lesen können, erzeugt also jede 360-Grad-Drehung drei ATP. Eine vollständige Drehung erfordert ein Proton pro C-Protein. Daher entspricht das Protonen-ATP-Verhältnis der Ringsymmetrie dividiert durch drei. Man erwartete, dass es in der ganzen Biologie nur eine Ringsymmetrie geben würde. Doch die Biologie ist komplizierter. Die Ringsymmetrien unterscheiden sich je nachdem, ob es sich um mehrzelliges Leben oder um einzelliges Leben handelt. Es handelt sich also nicht, wie man gedacht hatte, um eine universelle Zahl. Hier sehen Sie Querschnitte von Ringen – einmal vom menschlichen Enzym; dann von Saccharomyces cerevisiae, der Bierhefe; der hier ist von einem Bakterium, das eine elffache Symmetrie aufweist. Hier haben wir 13-fache Symmetrie, ein Enzym aus einem Bakterium. und schließlich 15-fache Symmetrie in einer Blaualge. Das bedeutet, dass die Enzyme, die diese verschiedenen Ringgrößen aufweisen, unterschiedlich hohe Energiekosten bezahlen. Dieses Bakterium bezahlt fünf Protonen für die Herstellung je eines ATP-Moleküls, während wir 2,7 Protonen für die Herstellung eines ATP bezahlen. Diese Ringe repräsentieren verschieden Gänge eines Getriebes. Das ist der niedrigste Gang, hier ist der höchste Gang. So stellt man sich das vor: Weil wir in der Lage sind, -200 Millivolt zu erzeugen, können wir in diesem hohen Gang fahren und effizienter handeln. Dieser Organismus dagegen lebt in einer energetisch relativ benachteiligten ökologischen, so nimmt man an, und ist deshalb nicht in der Lage, -200 Millivolt zu erzeugen. Er erzeugt ein niedrigeres Potential; der Preis, den er zu bezahlen hat, besteht darin, dass er in einem niedrigeren Gang fahren muss, was mehr Energie für die Herstellung jeweils eines ATP-Moleküls verbraucht. Ich den letzten zwei oder drei Jahren wollte ich herausfinden, ob sich diese C8-Lösung, die wir beim Menschen finden, bei den Chordatieren fortsetzt. Mittlerweile haben wir Beweise dafür erbracht, dass sich die C8-Lösung bei Vögeln findet, bei Reptilien, natürlich bei Säugetieren, bei Amphibien, Strahlenflossern und Knorpelfischen. Manteltiere haben wir noch nicht untersucht. Die C8-Lösung – 2,7 Protonen pro ATP – ist bei 50.000 Wirbeltierarten anzutreffen. In letzter Zeit haben wir auch Wirbellose untersucht – Stachelhäuter, Chordatiere habe ich schon erwähnt, Ringelwürmer, Armfüßer, Weichtiere, Krustentiere, Insekten und Fadenwürmer. In all diesen Beispielen ist die C8-Lösung ebenfalls anzutreffen. Derzeit untersuchen wir Porifera, also Schwämme. Und ich wette, dass die C8-Lösung für das gesamte vielzellige Leben gilt. Das wären zwei Millionen Arten neben den 50.000 Wirbeltierarten. Während wir wissen, dass man in der einzelligen Welt, zum Beispiel im Fall der Hefe, zehn geteilt durch drei Protonen zur Herstellung von je einem ATP bezahlt werden. Es gibt also anscheinend eine Lösung für vielzelliges Leben und andere Lösungen für einzelliges Leben – je nach den Umständen, in denen die Tiere leben. Meines Erachtens bleiben hierbei viele Fragen unbeantwortet. Außerdem werden alle möglichen weiteren Fragen aufgeworfen, auf die ich in der Kürze der Zeit nicht eingehen kann. Ich finde es allerdings sehr überraschend, dass das gesamte mehrzellige Leben – bedenkt man die Vielfalt der Nischen, der ökologischen Nischen, in denen diese Tiere anzutreffen sind... dass es für all diese Tiere nur eine Lösung gibt. Zum Schluss möchte ich noch einige allgemeinere Dinge über dieses Feld der Bioenergetik sagen. Darüber, wie wir unser Wissen über Bioenergetik anwenden können, um einige der Probleme zu lösen, die sich Ihnen stellen werden. Wie wir wissen, wird die Bevölkerung immer älter, und der Prozess des Alterns selbst ist sicherlich mit Prozessen verbunden, die mit der Energieumwandlung in Mitochondrien zu tun haben. In dem Maße, in dem wir immer älter werden, nehmen auch die neurodegenerativen Krankheiten in der Bevölkerung zu. Auch hier gibt es eine Verbindung zu den Energie umwandelnden Prozessen in Mitochondrien. Darauf werde ich gleich noch zurückkommen. Wir versuchen außerdem, unser Wissen über Bioenergetik zur Erzeugung neuer Wirkstoffziele einzusetzen, um das Problem der Arzneimittelresistenz bei Infektionskrankheiten zu lösen. Tatsächlich ist das einzige Arzneimittel gegen Tuberkulose, das in den letzten 30 Jahren auf den Markt gekommen ist, ein Hemmer der ATP synthetisierenden Turbine in diesem Mikroorganismus. Man kann also Arzneimittel herstellen, die die ATP erzeugende Maschine im Mikroorganismus beeinflussen, nicht jedoch die ATP erzeugende Maschine in unseren Körpern. Dann möchte ich noch ein oder zwei Worte zum steigenden Energiebedarf sagen. Zu Beginn hatte ich ausgeführt, dass sich fast die gesamte genetische Information im Zellkern befindet. Der Grund hierfür liegt darin, dass das Mitochondrium auch eine kleine Menge DNS enthält, bestimmt 17 Kilobasen DNS und 32 Gene. Dieses DNS-Molekül unterscheidet sich insofern von der DNS in Ihrem Zellkern, als es vollständig von ihrer Mutter stammt; es gibt darin keine väterliche Komponente. Jede Mutation in der mitochondrischen DNS, die zu einer Krankheit führt, wird also matrilinear vererbt, nicht nach den mendelschen Regeln. Das ist charakteristisch für die sogenannten mitochondrischen Krankheiten, die fast unausweichlich zu neuromuskulären Erkrankungen führen. Das sind Krankheiten, die im Kindesalter auftreten. In der westlichen Welt ist etwa eine von 6.000 Personen von einer dieser Krankheiten betroffen. Es gibt aber auch, wie gesagt, immer mehr Anzeichen für die Beteiligung dysfunktionaler Mitochondrien an Parkinson, Alzheimer und der Huntington-Krankheit – an diesen Geißeln der Menschheit, die sich in unserer Bevölkerung immer stärker ausbreiten. Im Fall eines familiärem Parkinson-Syndroms, bei dem die Krankheit vererbt ist, gibt es überhaupt keinen Zweifel daran, dass es von einer Dysfunktion in den Mitochondrien hervorgerufen wird. Im Fall eines sporadischen Parkinson-Syndroms, bei dem es sich um die weiter verbreitete Form handelt, sind die Verbindungen noch nicht so eindeutig. Doch es gibt natürlich Verbindungen. Mitochondrische Dysfunktionen sind nicht nur an neurodegenerativen Krankheiten beteiligt, sondern auch an Krebs und der Alterung. Ich habe leider keine Zeit, hierauf einzugehen. In den vergangenen Tagen haben Sie vielleicht mitbekommen, dass die Mitochondrien in den Schlagzeilen waren. Folgendes habe ich dem Daily Telegraph entnommen: „Großbritannien könnte durch IVF das erste Baby mit drei Eltern erzeugen.” Und in derselben Zeitung stand: „Drei Eltern. Tut mir leid, aber das ist verrückte Wissenschaft.“ Auf diese Art und Weise kann man jene Erkrankungen korrigieren, bei denen die Mutationen in der menschlichen mitochondrischen DNS liegen. Das geschieht folgendermaßen: Man hat eine Mutter, die die Mutation aufweist; man befruchtet das Ei; dann entnimmt man dem befruchteten Ei den Zellkern und überträgt diesen in einen zellulären Hintergrund, dem der Kern entnommen wurde, dessen Mitochondrien aber noch existieren. Diese Zelle stammt von einem Spender, der die Mutation nicht aufweist. So kommt der dritte Elternteil ins Spiel. Die zwei normalen Eltern erzeugen das befruchtete Ei. Der dritte Elternteil stellt die Mitochondrien zur Verfügung. Diese Therapie wurde in Großbritannien entwickelt, an der Newcastle University. Mittlerweile liegt die Genehmigung zur klinischen Anwendung vor. Zum Schluss möchte ich noch etwas zur Energiekrise anmerken. Im Jahr 1950 betrug die Weltbevölkerung 2,5 Milliarden Menschen. Heute sind es sieben Milliarden. Und die Weltbevölkerung wächst alle 13 Jahre um eine Milliarde Menschen. Dabei gibt es nicht nur ein Problem mit der Bevölkerungszunahme, sondern auch mit dem Human Development Index, dem Index der menschlichen Entwicklung, der nach dieser Definition die Lebenserwartung, die Alphabetisierung von Erwachsenen, die Einschulungsraten und das Pro-Kopf-BIP enthält: In dem Maße, in dem dieser Index ansteigt, steigt auch der Energiebedarf. Es ist also nicht nur eine Frage der Bevölkerungszunahme. Es geht darum, dass der Bedarf der Entwicklungsländer in dem Maße zunimmt, in dem ihr Entwicklungsindex ansteigt. Derzeit stammt unsere Energie zu 85 % aus fossilen Quellen, hauptsächlich Öl, Gas und Kohle. Wir benötigen 15 Terawatt Energie. Das sind 150 Milliarden 100-Watt-Birnen, Glühbirnen, die ständig brennen. Bis zum Jahr 2050 wird sich das auf 30 Terawatt verdoppeln. Und wie Sie sehen, verbrauchen die Vereinigten Staaten derzeit 3,5 Terawatt. Dieser zunehmende Energiebedarf geht einher mit einem unaufhörlichen Anstieg des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre. Hier sehen Sie die Zahlen bis zum Jahr 2004, doch es geht auf dieselbe Weise bis zum heutigen Tag weiter. Ich begnüge ich mich mit der Schlussbemerkung, dass wir mit unserem Wissen über Bioenergetik zur Produktion grünerer Energieformen beitragen können. Dieses Thema wird hier bei dieser Konferenz diskutiert. Damit beende ich meine Ausführungen, vielen Dank. Beifall.

Sir John E. Walker on "The Fuel of Life".
(00:01:22 - 00:02:37)

The complete video is available here.

 

The Power of Plants

As early as the late 1700s, scientists began to notice the mysterious power of green plants. English chemist Joseph Priestly knew that a mouse placed into a sealed, glass container would quickly die, and the resulting air was rendered “noxious.” But interestingly, when he put a plant inside along with the mouse, the animal survived. Priestly concluded that plants “tend to keep the atmosphere sweet and wholesome.”[3]

In 1779, Dutch physician Jan Ingenhousz published the results of a study that involved over 500 experiments on plants[4]. He put the pieces together that light was a necessary ingredient for a plant to “clean” the air, and only the green parts of the plant actually perform this job.

The chloroplast, an organelle within the cells of plants and green algae packed with chlorophyll, serves as the hub where photosynthesis takes place. It was first described as “a grain of chlorophyll” in 1837, but more than a century of research revealed the breathtaking complexity of photosynthetic structures and reactions. In his 2017 Lindau lecture, Johann Deisenhofer describes what scientists now know about the chloroplast and its machinery. He won the 1988 Nobel Prize in Chemistry along with Robert Huber and Hartmut Michel for unveiling the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre.

Johann Deisenhofer "On the Structural Biology of Photosynthetic Light Reactions"
(00:03:40 - 00:06:43)

The complete video is available here.

 

Early Nobel Prize-Winning Work in Photosynthesis

Several scientists have received the Nobel Prize for their discoveries related to photosynthesis, beginning with Richard Martin Willstätter in 1915[5]. The German organic chemist investigated plant pigments — including chlorophyll, the green pigment vital to photosynthesis — in the two years before World War I. He eventually determined the chemical composition of chlorophyll by extracting the photosynthetic cell and breaking it down into smaller components[6].

Fifteen years later, Hans Fischer got the Nobel Prize in Chemistry mainly for his studies on hemoglobin, the substance that gives blood its red colour, but also for his work on chlorophyll[7]. Two more were given to Paul Karrer (Chemistry, 1937) and Richard Kuhn (Chemistry, 1938) for their research into other plant pigments.

Around this time, Melvin Calvin had just begun his academic career at the University of California, Berkeley as a member of the faculty. The institution had a unique set of tools available for Calvin and his colleagues, including radioactive isotopes and chromatography, that would allow them to develop four different photosynthesis models between 1948 and 1954[8]. The most recent one is still recognised today with slight modification.

Using radiolabelled carbon dioxide, he was able to identify the chemical reactions in the intermediate stages of photosynthesis, receiving the 1961 Nobel Prize in Chemistry for his efforts. In particular, he discovered the dark reaction or Calvin cycle, which doesn’t require light to convert carbon dioxide into carbohydrates[9].

While the first stage of photosynthesis uses energy from light, the second light-independent stage converts carbon dioxide and water into organic molecules such as glucose. The Calvin cycle has three main steps: carbon fixation, reduction, and regeneration. First, carbon dioxide is fixed from an inorganic form to organic molecules with the help of a special enzyme. Next, energy carriers that result from the first stage of photosynthesis convert the product of carbon fixation into a chemical called glyceraldehyde 3-phosphate (G3P), of which six molecules are created. A single molecule of G3P leaves the Calvin cycle to contribute to the formation of other compounds needed by the plant, including glucose and starch, while the remaining five G3P molecules remain in the cycle for carbon fixation in the next cycle[10].

 

Structural Biology Meets Photosynthesis

Photosynthesis was once again thrust into the world’s scientific spotlight in 1988, when three biochemists were awarded the Nobel Prize in Chemistry for their work on “the most important chemical reaction on earth”[11]. Their subject of study was the purple bacterium Rhodopseudomonas viridis, an organism that performs a simpler form of photosynthesis that does not generate oxygen. However, like green plants, it possesses a photosynthetic reaction centre made up of proteins, pigments, and other chemicals that together execute energy conversion.

Shortly after receiving his doctorate, Hartmut Michel achieved what was once regarded as an impossible feat. He crystallised a membrane-bound protein complex — the aforementioned photosynthetic reaction centre extracted from R. viridis — into a form pure enough for X-ray diffraction techniques[12]. Along with Johann Deisenhofer and Robert Huber, Michel employed X-ray crystallography to reveal the exact arrangement of the more than 10,000 atoms that make up the photosynthetic reaction centre[13]. The 1985 discovery was also noteworthy as being the first 3D crystal structure of a membrane protein complex.

Only three short years later, the trio won the Nobel Prize for greatly contributing to the world’s understanding of photosynthesis and membrane proteins in general. In this clip from his 2014 Lindau lecture, Michel describes how the phrase “it is impossible to crystallise membrane proteins” once appeared in the most commonly used biochemistry textbook of its time — and how he refused to believe it.

Hartmut Michel (2014) - Membrane Proteins: Importance, Functions, Mechanisms

So good morning everybody and thank you very much for the introduction. And I start off showing you a photo of where I work, that’s the Max Planck Institute of Biophysics in Frankfurt, Germany. And there are about 200 people and they all work on membrane proteins. So there must be something of special importance for membrane proteins. Also Frankfurt University which surrounds us has a focus on membrane proteins. And if you have a look at a cell of a higher organism, you see, all you see is membranes. The outer membrane you see here, organelles, that’s the lysosome. You see here the endoplasmatic reticulum, the mitochondria, the Golgi apparatus and you see the nuclear envelope membrane. And what’s special for membrane is that they are electrically tight, they don’t allow it to... They are impermeable for ions and other polar substances. And as a result of that you can’t build up electric voltages across membranes. And membranes are a barrier. Therefore you have to get information across the membrane and you have to get substance across the membrane. So these are wider functions and without membranes there would be no life. And the membrane proteins are the active components of biological membranes. And of course they have to catalyse the transport of substances across the membrane. Maybe proteins, maybe ions or maybe nutrients. And you have to get rid of the catabolites and you have to export proteins. You have to get the information across the membrane and you have centres, normally called signal receptors, that transduce the signal, amplify it across the membrane and in addition you have biological electron transfer. That’s not so straight forward to see. But it’s the case that that’s a very important membrane process for the synthesis and cellular respiration. And some enzymes... Some membrane proteins are enzymes. In particular, when the substrate is hydrophobic. Also a virus... When a virus enters the cells first has to interact with membrane proteins. And it’s of course of particular importance that when you have a drug most likely it will act on a membrane protein. I go further and I say that most diseases are caused by a dysfunction, understimulation or overstimulation of a certain membrane protein. Also the specificity of signalling and interaction comes in at the membrane level. But also at the transcription level because this decides which membrane protein is made in a particular cell. And there are more than 1000 membrane bound signalling receptors. You have heard about the GPCRs, G-protein coupled receptors, by Brian Kobilka. And there are more than 800 of this type in the cell. But the number of signal transduction chains leading from the receptor to the nucleus or somewhere else is very limited. So when you interfere pharmacologically at later stages of signal transduction, you have the danger of undesired side reactions. So the best thing is to interact at the membrane protein level. We want to have the atomic structures. We want to know the position of each atom of a membrane protein in order to understand the mechanism of action as basic scientists. If you are interested in curing diseases, you go for rational drug design. That’s what also pharmaceutical industry does. And the similar technique is virtual screening, where you ask the computer, give him chemical library and the computer tells you which of the compounds might bind to a pocket of the protein. Membrane proteins are important, have been recognised by the Nobel Committees and probably the first Nobel Prize for membrane protein was given to Otto Warburg, Prize of Medicine for the work on the respiratory enzyme. Then Hans Deisenhofer, Robert Huber and myself got the Prize for the first atomic structure determination of a membrane protein. It was a reaction centre of photosynthesis. and you will hear about the work about the ATPases by John Walker later. And 2003 Peter Arge and Roderick McKinnon got the Prize for their work on channels. And 2012 you got Brian Kobilka for his work on G-protein coupled receptors. I think that is not the last Nobel Prize for work on membrane proteins. And when I started off, it was in the most frequently used text book, there was a statement: And I belong to the persons who are challenged if somebody tells them it’s impossible. So I started to think how to get membrane proteins crystal based on extended observation. And in order to tell you this in some detail, I show you here a schematic drawing of a membrane. You have here the membrane proteins. And you have here the lipids. Lipids form this electrically tight layer here and you have the membrane protein incorporated. And what the difficulties causes with the membrane proteins that they have a hydrophobic surface here where they are in contact with a side chain of the lipids whereas they are polar where they are in contact with the phases. And as a result of that you have to use detergents or expensive soaps and you add them in excess and you solubilise the membrane. The membrane... The detergent micelles looking like this. Displace the lipids and then you get a structure like this which is the membrane protein within a detergent micelle. Also the lipids are taken up by detergent micelles. And that’s the situation where you start to purify your membrane protein and you try to get out its function and its mechanism. When you think on how to order a membrane protein with these properties in the form of a crystal you have two solutions. You can try to form 2-dimensional crystals in the plain of the membrane and you can form then ordered stacks. This is what I always considered to be most important. I call this Type 1. The more easily accessible alternative is when you try to crystallise the membrane protein within the detergent micelle. And you will rely on polar contacts between the polar surfaces of the various membrane proteins. So it’s the membrane protein which forms the crystal lattice. And the detergent micelle actually more or less passively still surrounds the membrane protein’s hydrophobic surface. And you have to make sure that you don’t get... that the detergent micelle doesn’t get too big and you get some repulsion so that you cannot form a real crystal lattice. So looking for the right detergent is the most important step in trying to get membrane protein crystals. Most important you have to find a project which suits for your ideas. And after some attempts I ended up with a cell called Rhodopseudomonas viridis. That’s a purple bacterium. And now they changed the name and so it’s no longer called... It’s now called Plastoglogus viridis. And it’s full of membrane stacks and these membrane stacks are full of photosynthetic proteins. So it’s rather easy to get substantial amounts which you need for crystallisation. And it’s also rather easy then to purify them and you get colour changes if your membrane protein doesn’t like the conditions where you work with it. So after rather short time I got this kind of crystals. And looking nice and also surprisingly they diffracted well from the very beginning. And I have to say something about technology development. It took about 20 hours to record that photograph using photographic films. Nowadays you go to the synchroton and the recording of that photograph takes 5 seconds, maybe even shorter. And to collect one data set it took me 3 ~ 4 months. Nowadays it takes less than a minute to collect the data set. That is really a change and speeds everything up. But the bottleneck which we still have is getting the crystals. So we succeeded, you see here. You see here the structure of a photosynthetic reaction centre. That’s the part of the protein complex which is incorporated into the membrane. You have here the photosynthetic pigments here. You have here electron supply to the primary electron donor here. And you have here more or less a scaffold protein which may be important for the assembly of the reaction centre. If you look for a space filling model, you see here in white you see carbon atoms. And most of the atoms approaching the surface here are actually carbon, are carbon atoms. You see here a row of blue atoms, nitrogens. And people being used to look at structures they easily can see that actually it is an arginine residue. There is a histidine residue. There’s another lysine residue. And so here we have a nice row of positively charged amino acid residues which can interact with the phosphates of the lipids and position the membrane protein in the vertical direction which is also an important job. The photosynthetic pigments are shown here. You see here the primary electron donor which is constituted of two chlorophylls and then you have an electron transfer from here onto that, onto that, onto that and then parallel to the membrane from here to here. The entire structure is symmetric which was a big surprise, was unexpected. And now people could determine more membrane... more structures of photosystems, that’s the plant photosystem I. And what I showed you in the bacteria reactions is simply that central part. Then you have your many, many light-harvesting complexes made of chlorophylls. These are inner light-harvesting complexes and here you have outer light-harvesting complexes. But the core of the reaction centre, of the core of the photosystem is the same. And this is a comparison of the bacterial reaction centre’s primary electron donor. Chlorophyll, pheophytin and quinone are parallel to the membrane. And the same basic structure is found in the core of the photosystem I. And you see here also primary electron donor and then you have one branch which is used for electron transfer. And this also means that photosynthesis was invented only once during evolution, but this happened more than three billion years ago already. Now I change gears a little bit and I come to method development. And method development is very, very important in research and what we did, we tried to use fragments of monoclonal antibodies for membrane protein crystallisation. The idea behind this that the membrane protein surface can be, a surface which is polar, can be increased by the antibody fragments. And it might be more easy to get crystals. And this idea works out and you have heard Brian Kobilka that he now uses also this trick in getting big crystals, in getting well-ordered crystals. We used this primarily in the respiratory chain that is where we do substantially work on, respiratory chain. You have here complex I. You have here a fumarate reductase which is Complex II. We have here Complex III, cytochrome bc1 complex. We have complex IV which is cytochrome C oxidase and we have ATP synthase. And the field is quite advanced. You see that we now know the basic structures of all the components. And actually these three structures were made by my group in Frankfurt and these structures and these structures are made from Cambridge in the UK. So we have a nice friendly competition between Cambridge and Frankfurt with that respect. These are crystals of cytochrome C oxidase from a soil bacterium and basically that’s the part in the membrane. So most of it is here in the membrane and that is the antibody fragment bound to a polar surface, enlarges the polar surface. And what you also can see when you look at the crystal lattice that actually the antibody fragment here glues together this cytochrome C oxidase. There´s no direct contact between cytochrome C oxidase. All the contacts are mediated by the antibody fragment here. So this trick helps, it`s still tedious but you have a pretty good chance to be successful at the end. So that’s method development. Let me say I'm quite often asked: “How can you get Nobel Prize when the governments are interested in getting Nobel Prizes for their countries?” And I say to them that the most straightforward thing is method development because all major methods for all major method development people have received a Nobel Prize. So we have many examples here. NMR, Electron Microscopy or DNA sequencing, everything got a Nobel Prize. So inventing a novel important method I'm sure you will get a Nobel Prize. Now I come to my favourite subject which is the cytochrome C oxidases. They are part of the super-family of heme-copper terminal oxidases. They perform reduction of molecular oxygen. For that you need an oxygen molecule. You need four protons. They all come from the inside. You need four electrons donated here from cytochrome C formed to water, four oxidised cytochrome Cs. This happens in the cytochrome C oxidase. And what is here in particular is that the electrons come all from the inside, from the outside of the organelle or the bacterium and the protons come from the inside. But in addition nature has invented a trick to pump 2-4 protons across the membrane. So this of course leads to the generation of an electric voltage, so called membrane potential. And also pH creatine, but the pH creatine is less of importance than the electric voltage. So that’s the overall reaction that we’d like to understand in our research. I will not go into details, too complicated. Evolutionary tree of heme-copper oxidase is shown here. We have three families and so we actually work on paracoccus, a soil bacterium which is very close here to mammals, to bovine cytochrome C oxidase. And it’s splitting occurred rather late. I also will show you something about Type C, some kind of structure during the rest of my talk. So these cytochrome C oxidases, terminal oxidases are quite diverse. They are also pretty old in evolution and the question is: Why are there enzymes reducing oxygen to water when there was no oxygen present three billion years ago? And actually we don’t know what the original function of these terminal oxidases was. It was clearly that they had originally some detoxification function when oxygen became available due to the action of the water splitting photosynthesis. So basically we have two copper atoms in A and B families and we have here a heme, here we have copper, another heme group, and here is the site where oxygen is bound and reduced. The protons come straight forward in this kind and the way as protons are pumped come via this case. It’s not true for the other two families where we’ve only one channel which provides direct access to the active site. But nevertheless this ends up now able to pump protons. And that is really an enigma and we don’t understand that or how it works. So this is basically our cytochrome C oxidase. So here we have in the centre the active site where oxygen is bound and reduced. We’ve electron transfer from cytochrome C bound to the oxygen here. And we have proton transfer here and via that pathway to elective site and water is formed and protons are pumped in addition. We also work on the C family, C family cytochrome C oxidases, the so called CBB3 oxidase. And I have to say they are essential for many pathogenic bacteria, for instance helicobacter. And if you delete the genes coding for the cytochrome C oxidase in helicobacter, helicobacter is no longer infectious. So blocking this site of CBB3 oxidase would be a good way to kill the bacteria and cure stomach ulcers and gastritis. So that’s another idea we work with. So here only the central sub-unit I is similar to the A and B families but in the rest then we have cytochrome molecules replacing the copper containing proteins. And here we have a soluble electron donor getting cytochrome C and the electron transfer then is down here towards the active site. The electron transfer here is pretty fast and they are much more efficient in oxygen reduction than the other type of cytochrome C oxidases. A little bit of background how we get the stuff. We isolate that from the native cells. And you see here the various protocols, the various crystals which were obtained, which were disordered. And I have to tell you that getting the purer stuff was not very good because the pure stuff doesn’t get well ordered crystals. You would probably remove too many of the lipids and finding this out took one person, Sabina Buschman, ten years. So still doing this kind of research sometimes you needs patience not only of the researcher but also of the funding agency. Which you have to tell the funding agency that you really need... that they have to be generous in giving you time and money. So with respect to the lipids I mentioned that we determined the lipid contents and they’re all generally with about 50 lipid molecules per oxidase complex after an ion exchange chromatography. That’s reduced to 12 lipids during the purification. And further on by an isoelectric focusing reduced that to 6-9 lipids. But the problem is this gives bad crystals whereas this preparation gives good crystals. So the last purification step had to be removed in order to get the well diffracting crystals. Now I change gears and I come to the sulphide quinone reductase. And of course sulphide is toxic. So you need in samples sulphide detoxification because sulphide binds to the prophyrins of cytochromes and haemoglobin and it’s very, very toxic. And also you have in higher animals, in mammals you have sulphide signalling. And sulphide was proposed and actually is a gasotransmitter. Very much it’s evolved from smooth muscle relaxation, very much like nitric oxide. And you will hear more about that in the talk, which is going to be presented by Ferid Murad. So we work on that enzyme and we got the structure in this case from a hyperthermophilic bacterium. You see it’s a trimeric enzyme, it’s rather flat and it lies flat on the membrane, dives into the membrane. And the membrane interaction you can see from the structure. Down here we have some detergent molecules, some lipid molecules. And we have tryptophan side chains which normally lead to the interaction with the membrane. What we also have discovered quite astonishingly that the enzyme binds the enzyme binds the flavin coenzyme in a very unprecedented way not seen before. So here we have a disulphide bridge, two bridges connect and bind in covalently the flavin moiety to the protein. And what we also found to our surprise was that you find a sulphur S8 ring in the protein. The product of the reaction when you reduce the sulphide is sulphur and actually it forms a ring and there’s one time when the sulphur binds to the cystine residue. Was completely unexpected and not observed before. We also could identify the quinone reduction site by adding quinones. So quinones actually are the electron acceptor getting the electrons from the sulphide and so that reduced quinone is the second product. And so the overall mechanism of action can be seen here. That is the enzyme lying flat on the membrane, diving into the membrane by about 12 angstrom. And then you have access for H2S or HS- via nicely observed channels. And from here... You can here form the S8 ring. You have channels for the excess for ubiquinone, the second substrate, and the release of the product ubiquinonol which can be then used in the respiratory chain and be oxidised. And the S8 ring can be or will be displaced through the membrane inside to the bacteria and the bacterial world or into the mitochondrian mammals because this enzyme is located on the outside of mitochondria in humans and of course also then in other mammals. Of course we have to ask then the question: How is H2S... is hydrogen sulphide generated in mammals? And there are two enzymes doing that. One is cystathionine beta-synthase and the other one is mercaptopyruvate sulphur transferase in combination with a cysteine amino transferase. But the regulation of the production of hydrogen sulphide is unknown. Then you ask what is the product in mammals because nobody has observed so far. Sulphur globules in humans but actually it’s a thiosulphate. So your body produces the inorganic compound thiosulphate. And this happens by the sequential action of a sulphur dioxygenase and then the first product there is sulphite. And then you have a sulphur transferase which adds a sulphur atom to the sulphide and you have thiosulphate. And both these enzymes actually are located in the mitochondrian matrix. But then further on how the thiosulphate is exported, how you get rid of thiosulphate is unknown, what’s the further metabolism of that product. So there are still some basic challenges in order to become known. Let me say a few general words now about membrane protein structures. And at present there are 484 membrane proteins where the structure is known. That’s about 1,500 coordinate files. And you see here in 1986 we had the first structures and it started off pretty slow. And it was two structures only 5 years later. But then people actually learned how to crystallise membrane proteins. But I have to say it’s not primarily a question of improving the techniques. Primarily it has been a question of selecting the more crystallisable... the better crystallisable membrane proteins. Still when you work on your own membrane protein, selected membrane protein it can take you ten or twenty years in order to get it. But people nowadays they look for most stable variants and they sometimes get crystals within a few months. This is why we have to progress. But still progress with human membrane proteins is slow and there are for the moment about 40 human membrane proteins known. Your body contains about 6,000 to 7,000 membrane proteins. So there is still a lot to do before you actually can do at the end drug design in order to cure diseases for the membrane proteins from the human body. The methods for membrane protein structure determination are listed here. Nuclear magnetic resonance can be used for some small proteins, for more or less one or two transmembrane helices or some small beta-stranded membrane proteins. Solution NMR 40 structures, solid state NMR 2 also made its way into membrane proteins. There are two structures, then we have crystallography and it is x-ray crystallography where most of the structures have been determined. Electron crystallography is 7 structures. But actually 5 of the 7 have also been determined by x-ray crystallography and the quality of the structures determined by x-ray has been better than that by electron crystallography. So x-ray crystallography has been the winner. So where will be the future? I still think it will be x-ray crystallography. You may have heard that there are big machines now, free electron lasers. There’s one operating at Stanford and another one is under construction in Hamburg. There’s one going into operation soon in Japan. And the idea is that you may be able to do diffraction with individual molecules at the end. So you wouldn't need to crystallise that. But this is still a dream. And the idea behind it is that you can record a diffraction pattern of an individual molecule before it explodes. So you have a very, very short x-ray pulse and the electrons of course interact with the x-rays. They are blown away. But the diffraction is there. But the molecule has been gone and you have a free plasma. And so this is maybe the future, so we wouldn't get crystals. But I fear that will be a dream. Still the open question which I didn’t cover was that for mechanism. I discovered that in the case of sulphide quinone reductase without going into the atomic details. But diffraction methods provide static pictures. In order to get the mechanisms of action you have to get structures of catalytic intermediates. You have to analyse variants and you have to use various kinds of spectroscopy, maybe photon transformation infrared spectroscopy, maybe EPR, maybe NMR. But this depends on your protein. And I'm satisfied when I find out the mechanism of a protein going really into the depths. As I said there are still lots and lots to do and I hope you will be interested to work on these interesting questions. With that I want to end and thank you for your attention.

Guten Morgen allerseits und vielen Dank für die einleitenden Worte. Ich beginne mit einem Foto meines Arbeitsplatzes. Das ist das Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt, Deutschland. Dort arbeiten mehr als 200 Mitarbeiter und sie alle beschäftigen sich mit dem Thema Membranproteine. Membranproteine müssen also eine spezielle Bedeutung haben. Auch an der Universität Frankfurt, in deren Nähe wir uns befinden, gibt es einen Forschungsschwerpunkt Membranproteine. Wenn man eine Zelle eines höheren Organismus betrachtet, sieht man nur Membranen. Die äußere Membran sehen Sie hier, Organellen, das ist das Lysosom. Hier sehen Sie das endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien, den Golgi-Apparat und die Kernhüllenmembran. Eine Besonderheit von Membranen ist, dass sie elektrisch dicht sind, also nicht zulassen, dass … sie sind für Ionen und andere polare Substanzen undurchlässig. Infolgedessen ist es unmöglich, elektrische Spannungen über Membranen hinweg aufzubauen. Membranen sind eine Barriere. Deshalb muss man Informationen und Substanzen durch die Membran schleusen. Das sind im Groben die Funktionen. Ohne Membranen würde kein Leben funktionieren. Membranproteine sind die aktiven Bestandteile biologischer Membranen. Und natürlich müssen sie den Transport von Substanzen durch die Membran katalysieren. Dabei kann es sich um Proteine, Ionen oder Nährstoffe handeln. Außerdem müssen Kataboliten entsorgt und Proteine exportiert werden. Die Informationen müssen durch die Membran transportiert werden. Es gibt Zentren - normalerweise werden sie als Signalrezeptoren bezeichnet -, die das Signal übertragen, es durch die Mem¬bran hindurch verstärken. Und zusätzlich erfolgt ein biologischer Elektronentransport. Das ist nicht so wörtlich zu nehmen. Aber es handelt sich um einen sehr wichtigen Membranenprozess für die Synthese und die Zellatmung. Und einige Enzyme ... einige Membranenproteine sind Enzyme. Insbesondere, wenn das Trägermaterial hydrophob ist. Auch ein Virus … wenn ein Virus in die Zelle eindringt, muss er zunächst mit Membranproteinen interagieren. Und es ist natürlich von besonderer Bedeutung, dass ein Arzneimittel am ehesten auf ein Membranprotein einwirkt. Und ich gehe noch weiter und sage, dass die meisten Krankheiten durch eine Dysfunktion, eine Unter- oder Überstimulierung eines bestimmten Membranproteins verursacht werden. Auch die Spezifität der Signalübertragung und der Interaktion spielt eine Rolle auf Membranebene, aber auch auf der Ebene der Transkription, weil das maßgeblich dafür ist, welches Membranprotein in einer speziellen Zelle erzeugt wird. Und es gibt mehr als 1.000 membrangebundene Signalrezeptoren. Im Vortrag von Brian Kobilka haben Sie von den GPCRs, den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, gehört. Und davon sind in der Zelle mehr als 800 vorhanden. Aber die Anzahl der Signalübertragungsketten, die vom Rezeptor zum Kern oder an eine andere Stelle führen, ist sehr begrenzt. Wenn man in spätere Phasen der Signalübertragung pharmakologisch eingreift, besteht die Gefahr unerwünschter Nebenreaktionen. Deshalb ist es am besten, auf Membranproteinebene zu interagieren. Als Grundlagenwissenschaftler wollen wir die atomaren Strukturen verstehen. Wir wollen die Position eines jeden Atoms eines Membranproteins kennen, um den Funktionsmechanismus zu verstehen. Wer daran interessiert ist, Krankheiten zu heilen, widmet sich der rationalen Wirkstoffentwicklung. Das macht auch die pharmazeutische Industrie. Und eine ähnliche Technik ist das virtuelle Screening. Dabei wird der Computer befragt, indem man ihm eine chemische Bibliothek zur Verfügung stellt, und er meldet zurück, welche Verbindungen an eine Bindetasche des Proteins binden könnten. Die Bedeutung der Membranproteine wurde vom Nobelpreiskomitee anerkannt. Der erste Nobelpreis für Membranprotein wurde wohl Otto Warburg in Form des Medizin-Nobelpreises für seine Arbeit über das Atmungsferment verliehen. Danach erhielten Hans Deisenhofer, Robert Huber und ich den Preis für die erste Atomstrukturbestimmung eines Membranproteins. Es war ein Reaktionszentrum der Photosynthese. Über diese Arbeit werden Sie später auch etwas von John Walker hören. Und 2012 wurde Brian Kobilka für seine Arbeit über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren ausgezeichnet. Und ich denke, dass das nicht der letzte Nobelpreis für eine Arbeit über Membranproteine gewesen sein wird. Zu meinen Anfangszeiten war in dem damals am häufigsten verwendeten Lehrbuch die Aussage zu lesen: Ich gehöre zu den Menschen, die es als Herausforderung begreifen, wenn jemand ihnen sagt, dass etwas unmöglich ist. Deshalb begann ich darüber nachzudenken, wie man Membranproteinkristalle herstellen könnte und widmete mich eingehend diesem Thema. Und um Ihnen das konkreter zu erläutern, zeige ich Ihnen hier die Grafik einer Membran. Hier sind die Membranproteine. Und das hier sind die Lipide. Lipide bilden hier diese elektrisch dichte Schicht und das Membranprotein ist eingebettet. Und was die Schwierigkeiten bei den Membranproteinen verursacht, ist eine hydrophobe Oberfläche hier, wo sie mit einer Seitenkette der Lipide in Kontakt sind, während sie an den Stellen, an denen sie in Kontakt mit den Phasen sind, polar sind. Und deshalb muss man in übermäßigen Mengen Detergenzien oder teure Seifen zugeben, um die Membran aufzulösen. Die Membran ... die Detergens-Mizellen sehen so aus. Wenn man die Lipide entfernt, erhält man eine Struktur wie diese hier, die das Membranprotein ohne eine Detergens-Mizelle darstellt. Auch die Lipide werden von den Detergens-Mizellen aufgenommen. Und das ist dann die Situation, in der man mit der Reinigung des Membranproteins beginnt und versucht, etwas über seine Funktion und seinen Mechanismus in Erfahrung zu bringen. Wenn man darüber nachdenkt, wie man ein Membranprotein mit diesen Eigenschaften in der Form eines Kristalls anordnen könnte, gibt es zwei Lösungen. Man kann versuchen, zweidimensionale Kristalle in der Membranebene zu formen und man kann dann geordnete Stapel bilden. Das habe ich immer für das Wichtigste gehalten. Ich nenne dies den Typ 1. Die leichter zugängliche Alternative ist der Versuch, das Membranprotein innerhalb der Detergens-Mizelle zu kristallisieren. Dabei stützt man sich auf die polaren Kontakte zwischen den polaren Oberflächen der verschiedenen Membranproteine. Es ist also das Membranprotein, das das Kristallgitter bildet. Und die Detergens-Mizelle umschließt die hydrophobe Oberfläche des Membranproteins immer noch mehr oder weniger passiv. Und man muss darauf achten, dass die Detergens-Mizelle nicht zu groß wird und eine Abstoßung entsteht, sodass sich kein echtes Kristallgitter bilden kann. Deshalb ist die Wahl des richtigen Detergens der wichtigste Schritt in dem Versuch, Membranproteinkristalle zu erzeugen. Am Wichtigsten ist es dabei, ein Projekt zu finden, das zu den eigenen Vorstellungen passt. Nach einigen Versuchen landete ich bei einer Zelle mit der Bezeichnung Rhodopseudomonas viridis. Das ist ein Purpurbakterium. Inzwischen hat man die Bezeichnung geändert und es heißt nicht mehr … es heißt jetzt Plastoglogus viridis. Es ist voller Membranstapel und diese Membranstapel sind voller photosynthetischer Proteine. Es ist also relativ einfach, erhebliche Mengen zu gewinnen, wie man sie für die Kristallisierung benötigt. Und es ist auch ziemlich einfach, sie dann zu reinigen. Und man erhält Farbänderungen, wenn dem Membranprotein die Bedingungen, unter denen man mit ihm arbeitet, nicht gefallen. Nach ziemlich kurzer Zeit habe ich diese Art von Kristallen erhalten. Sie sehen gut aus und sie haben erstaunlicherweise von Anfang an gute Brechungswerte. Und an dieser Stelle möchte ich gerne etwas zur technologischen Entwicklung anmerken. Es hat ungefähr 20 Stunden gedauert, um diese Fotografie mit Hilfe von Filmen aufzunehmen. Heutzutage nutzt man ein Synchroton und dieses Foto entstand innerhalb von nur 5 Sekunden oder sogar in noch kürzerer Zeit. Für die Erfassung eines Datensatzes habe ich 3 bis 4 Monate benötigt. Heute dauert es nicht einmal eine Minute, um den Datensatz zu erfassen. Das ist wirklich eine enorme Entwicklung, die alles beschleunigt. Aber der Engpass ist nach wie vor, die Kristalle zu bilden. Das ist uns gelungen, wie Sie hier sehen. Hier sehen Sie die Struktur eines photosynthetischen Reaktionszentrums. Das ist der Teil des Proteinkomplexes, der in die Membran integriert ist. Hier sehen Sie die Photosynthese-Pigmente. Hier werden die Elektronen für den primären Elektronendonor bereitgestellt. Und hier sehen Sie ein mehr oder weniger ausgebildetes Gerüstprotein, das wichtig für den Bau des Reaktionszentrums sein kann. Sie sehen hier ein raumfüllendes Modell. Das Weiße hier sind Kohlenstoffatome. Bei den meisten Atomen, die sich hier der Oberfläche nähern, handelt es sich tatsächlich um Kohlenstoffatome. Dann sehen Sie noch eine Reihe von blauen Atomen, Stickstoffe. Und jeder, der es gewohnt ist, sich solche Strukturen anzuschauen, wird leicht erkennen, dass es einen Arginin-Rückstand gibt, einen Histidin-Rückstand und noch einen Lysin-Rückstand. So haben wir hier also eine schöne Reihe von positiv geladenen Aminosäurerückständen, die mit den Phosphaten der Lipide interagieren und das Membranprotein in vertikaler Ausrichtung positionieren können Das hier ist eine Darstellung der Photosynthese-Pigmente. Sie sehen hier den primären Elektronendonor, der aus zwei Chlorophyllen besteht. Und dann erfolgt ein Elektronentransport von hier nach da, nach da, nach da und dann parallel zur Membran von hier nach hier. Die gesamte Struktur ist symmetrisch. Das war eine Riesenüberraschung und völlig unerwartet. Und jetzt konnte man weitere Membranen bestimmen … weitere Photosystemstrukturen. Das ist das pflanzliche Photosystem I. Und was ich Ihnen bei den Bakterienreaktionen gezeigt habe, ist einfach dieser zentrale Teil. Und dann gibt es hier enorm viele lichtsammelnde Komplexe, die aus Chlorophyllen bestehen. Das hier sind innere lichtsammelnde Komplexe und das hier äußere lichtsammelnde Komplexe. Aber der Kern des Reaktionszentrums, der Kern des Photosystems, ist der gleiche. Und das hier ist ein Vergleich des primären Elektronendonors des bakteriellen Reaktionszentrums. Chlorophyll, Pheophytin und Quinon sind parallel zur Membran angeordnet. Und dieselbe Grundstruktur findet sich im Kern von Photosystem I. Und hier sehen Sie auch den primären Elektronendonor und dann gibt es hier einen Zweig, der für den Elektronentransport benutzt wird. Und das bedeutet auch, dass die Photosynthese nur einmal in der Evolution erfunden wurde, aber das geschah bereits vor mehr als 300 Milliarden Jahren. Und jetzt komme ich auf ein etwas anderes Thema zu sprechen – die Methodenentwicklung. Die Methodenentwicklung hat in der Forschung einen hohen Stellenwert. Wir haben versucht, Fragmente von monoklonalen Antikörpern für die Membranproteinkristallisierung zu nutzen. Dahinter steckt die Idee, dass die Membranproteinoberfläche, die polar ist, durch Antikörperfragmente vergrößert werden kann. Und dann könnte es wesentlich einfacher sein, Kristalle zu erzeugen. Diese Idee hat tatsächlich funktioniert und Sie haben von Brian Kobilka gehört, dass auch er diesen Trick zur Erzeugung großer Kristalle einsetzt, um gut geordnete Kristalle zu erhalten. Wir haben das hauptsächlich in der Atmungskette eingesetzt. Das ist der Bereich, in dem wir hauptsächlich arbeiten: die Atmungskette. Hier sehen Sie Komplex I. Hier sehen Sie eine Fumaratreduktase, die Komplex II ausmacht. Hier haben wir Komplex III, den Cytochrom-bc1-Komplex. Hier ist der Komplex IV, die Cytochrom-C-Oxidase und eine ATP-Synthase. Und die Forschung ist hier weit fortgeschritten. Inzwischen kennen wir die Grundstrukturen aller Komponenten. Diese 3 Strukturen wurden tatsächlich von meinem Team in Frankfurt hergestellt und diese und diese Strukturen in Cambridge in Großbritannien. Auf diesem Gebiet gibt es einen netten, freundschaftlichen Wettbewerb zwischen Cambridge und Frankfurt. Das hier sind Kristalle der Cytochrom-C-Oxidase aus einem Bodenbakterium, und im Wesentlichen ist das der Teil in der Membran. Der Großteil befindet sich hier in der Membran und das ist das Antikörperfragment, das an eine polare Oberfläche gebunden ist und die polare Oberfläche vergrößert. Und wenn man sich das Kristallgitter anschaut, sieht man auch, dass das Antikörperfragment hier tatsächlich diese Cytochrom-C-Oxidasen hat zusammenkleben lassen. Es gibt keinen direkten Kontakt zwischen den Cytochrom-C-Oxidasen. Alle Kontakte werden durch das Antikörperfragment hier vermittelt. Dieser Trick hilft also. Das ist zwar ziemlich mühsam, aber man hat eine gute Chance, letztendlich erfolgreich zu sein. So, das war also die Methodenentwicklung. Ich werde sehr oft gefragt: „Wie kriegt man einen Nobelpreis, wenn Regierungen daran interessiert sind, Nobelpreise für ihr Land zu erhalten?" Und dann sage ich immer, dass die direkteste Möglichkeit darin besteht, Methodenentwicklung zu betreiben, weil alle wesentlichen Methoden, alle Leute, die wesentliche Methoden entwickelt haben, einen Nobelpreis erhalten haben. Dafür gibt es hier viele Beispiele. NMR, Elektronenmikroskopie oder DNA-Sequenzierung, alles das wurde mit einem Nobelpreis ausgezeichnet. Wenn man also eine neuartige wichtige Methode erfindet kriegt man einen Nobelpreis, da bin ich ganz sicher. Jetzt komme ich zu meinem Lieblingsthema, es sind die Cytochrom-C-Oxidasen. Sie gehören zur Superfamilie der Häm-Kupfer-Terminaloxidasen. Sie bauen molekularen Sauerstoff ab. Dazu braucht man 1 Sauerstoffmolekül und 4 Protonen. Sie alle kommen von innen. Man braucht 4 Elektronen, die vom Cytochrom-C stammen. Die werden zu Wasser geformt, 4 oxidierte Cytochrom-Cs. Das passiert in der Cytochrom-C-Oxidase. Und speziell ist hier, dass die Elektronen alle von außerhalb der Organelle oder des Bakteriums kommen und die Protonen von innen. Aber zusätzlich hat die Natur einen Trick erfunden, um 2 bis 4 Protonen durch die Membran zu pumpen. Das führt natürlich zur Erzeugung von elektrischer Spannung, dem sogenannten Membranpotenzial, und von pH-Kreatin, aber das pH-Kreatin ist nicht so wichtig wie die elektrische Spannung. Das ist also die Gesamtreaktion, die wir in unserer Forschung verstehen möchten. Ich will aber nicht ins Detail gehen - zu kompliziert. Hier ist der Stammbaum der Häm-Kupfer-Oxidase dargestellt. Wir haben 3 Familien und deshalb arbeiten wir tatsächlich mit dem Bodenbakterium Paracoccus, das den Säugetieren, der Bovin-Cytochrom-C-Oxidase sehr nahe ist. Und seine Spaltung trat relativ spät auf. Ich möchte Ihnen während des restlichen Vortrags auch etwas über Typ C, eine Art von Struktur zeigen. Diese Cytochrom-C-Oxidasen, Terminaloxidasen,sind von sehr unterschiedlicher Art. Evolutionär betrachtet sind sie auch ziemlich alt. Und da stellt sich die Frage: Warum reduzieren diese Enzyme Sauerstoff zu Wasser, wenn es doch vor 3 Milliarden Jahren keinen Sauerstoff gab? Und tatsächlich wissen wir nicht, was die ursprüngliche Funktion dieser Terminaloxidasen war. Es war klar, dass sie ursprünglich eine Detoxifikationsfunktion hatten, als aufgrund der wasserspaltenden Photosynthese Sauerstoff verfügbar wurde. Grundsätzlich haben wir also 2 Kupferatome in A- und B-Familien und hier haben wir ein Häm, wir haben Kupfer, eine andere Häm-Gruppe und hier ist die Stelle, wo Sauerstoff gebunden ist und reduziert wird. Die Protonen kommen in dieser Art und Weise zügig voran und der Weg, auf dem die Protonen durchgeschleust werden, verläuft über diese Hülle. Das gilt nicht für die anderen beiden Familien, wo es nur einen Kanal gibt, der einen direkten Zugang zu aktiven Stelle bereithält. Aber dennoch führt dies zu der Fähigkeit, Protonen zu pumpen. Und das ist tatsächlich ein Rätsel und wir verstehen nicht, dass oder wie es funktioniert. Das hier ist also im Wesentlichen unsere Cytochrom-C-Oxidase. Hier im Zentrum ist die aktive Stelle, wo Sauerstoff gebunden ist und reduziert wird. Es gibt einen Elektronentransport vom Cytochrom-C, das hier am Sauerstoff gebunden ist. Wir haben hier und über diesen Weg einen Protonentransport zur gewählten Stelle. Wasser bildet sich und zusätzlich werden Protonen gepumpt. Wir erforschen auch die C-Familie, Cytochrom-C-Oxidasen der C-Familie, die so genannte CBB3-Oxidase. Und ich möchte darauf hinweisen, dass sie für viele pathogene Bakterien, beispielsweise Helicobacter, wesentlich sind. Wenn man die Gene entfernt, die für die Cytochrom-C-Oxidase in Helicobacter kodieren, ist der Helicobacter nicht mehr infektiös. Die Blockade dieser Stelle der CBB3-Oxidase wäre also eine gute Möglichkeit, das Bakterium zu töten und Magengeschwüre und Gastritis zu behandeln. Das ist eine weitere Idee, an der wir arbeiten. Hier ähnelt also nur die zentrale Untereinheit I den A- und B-Familien. Aber im Rest ersetzen Cytochrom-Moleküle die Kupfer enthaltenden Proteine. Und hier haben wir einen löslichen Elektronendonor, der Cytochrom-C produziert. Der Elektronentransport erfolgt dann hier in Richtung aktiver Stelle. Der Elektronentransport vollzieht sich hier relativ rasch. Und sie sind wesentlich effizienter in der Sauerstoffreduzierung als die anderen Arten von Cytochrom-C-Oxidase. Ein bisschen Hintergrundinformationen dazu, wie wir an das Material kommen. Wir isolieren das aus nativen Zellen. Hier sehen Sie die verschiedenen Protokolle und die unterschiedlichen Kristalle, die wir erhielten und die ungeordnet waren. Ich muss gestehen, dass die Erzeugung des reineren Materials keine sehr gute Idee war, weil das reinere Material keine gut geordneten Kristalle ergab. Wahrscheinlich haben wir zu viele Lipide entfernt. Das herauszufinden, hat eine Person, nämlich Sabine Buschmann, 10 Jahre gekostet. Um solche Forschungsprojekte durchzuführen, braucht man also manchmal Geduld, nicht nur der Forscher selbst, sondern auch seine Finanziers. Und das muss man der finanzierenden Instanz vermitteln, dass man wirklich … dass sie großzügig in Bezug auf Zeit und Geld sein müssen. Hinsichtlich der Lipide habe ich bereits erwähnt, dass wir den Lipid-Inhalt festgestellt haben, der nach einer Ionenaustauschchromatographie generell bei rund 50 Lipid-Molekülen pro Oxidase-Komplex liegt. Das wird während der Reinigung auf 12 Lipide reduziert. Und durch eine isoelektrische Fokussierung wird das weiter auf 6 bis 9 Lipide reduziert. Das Problem dabei ist aber, dass das schlechte Kristalle ergeben hat, während diese Präparierung gute Kristalle ergibt. Deshalb musste der letzte Reinigungsschritt eliminiert werden, um gut beugende Kristalle zu erhalten. Ich wechsele noch einmal das Thema und komme zur Sulfid-Quinon-Reduktase. Natürlich ist Sulfid toxisch. Deshalb braucht man bei den Proben eine Sulfiddetoxifikation, weil Sulfid an die Prophyrine der Cytochrome und an Hämoglobin bindet. Und das ist sehr, sehr giftig. Und bei höheren Tieren, Säugetieren, gibt es Sulfid-Signalsysteme. Sulfid wurde als Gasotransmitter vorgeschlagen und ist tatsächlich ein Gasotransmitter. Es hat sich sehr stark aus der Entspannung der glatten Muskulatur entwickelt, sehr ähnlich dem Stickoxid. Und über dieses Thema werden Sie in dem Vortrag von Ferid Murad noch mehr hören. Wir haben also an diesem Enzym gearbeitet und in diesem Fall die Struktur aus einem hyperthermophilen Bakterium gewonnen. Es ist ein trimeres Enzym, das ziemlich flach ist und flach auf der Membran liegt, in die Membran eingebettet ist. Und anhand der Struktur erkannte man die Mem¬bran-Interaktion. Hier haben wir Detergens-Moleküle, einige Lipid-Moleküle. Und wir haben Tryptophan-Seitenketten, die normalerweise zur Interaktion mit der Membran führen. Ziemlich erstaunt haben wir festgestellt, dass das Enzym das Flavin-Coenzym in einer beispiellosen Art bindet, die noch nie vorher beobachtet wurde. Wir haben also eine Disulfid-Brücke, 2 Brücken verbinden und binden die Flavinhälfte kovalent an das Protein. Und zu unserer Überraschung fanden wir auch einen Sulfur-S8-Ring im Protein. Das Produkt aus der Reaktion einer Sulfid-Reduzierung ist Schwefel. Tatsächlich bildet es einen Ring und es gibt einen Zeitpunkt, an dem der Schwefel an den Cystin-Rückstand bindet. Dies war völlig unerwartet und niemals vorher beobachtet worden. Wir konnten auch durch Zugabe von Quinonen die Quinon-Reduktionsstelle identifizieren. Quinonen sind tatsächlich die Elektronenakzeptoren, die die Elektronen aus dem Sulfid beziehen. Und dieses reduzierte Quinon ist also das zweite Produkt. Der gesamte Mechanismus der Aktion ist hier zu sehen. Das ist das Enzym, das flach auf der Mem¬bran aufliegt und mit rund 12 Angström in die Membran eindringt. Und dann gibt es einen Zugang für H2S oder HS- über gut zu sehende Kanäle und von hier … Und hier kann man den S8 Ring bilden. Umd man hat Kanäle für den Ubiquinon-Überschuss, das zweite Substrat, und die Freisetzung des Produkts Ubiquinonol, das dann in der Atmungskette verwendet und oxidiert werden kann. Und der S8-Ring kann oder wird durch die Membran ins Innere der Bakterien oder der bakteriellen Welt oder in die Mitochondrien von Säugetieren gedrängt werden, weil sich dieses Enzym an der Außenseite von Mitochondrien im Menschen und deshalb natürlich auch anderen Säugetieren befindet. Dann stellt sich natürlich die Frage, wie H2S ... wie Schwefelwasserstoff in Säugetieren erzeugt wird? Diese Arbeit übernehmen 2 Enzyme. Das eine ist Cystathionin-Beta-Synthase und das andere Mercaptopyruvat-Sulfur-Transferase in Kombination mit einer Cystein-Aminotransferase. Aber wie die Erzeugung von Schwefelwasserstoff reguliert wird, ist unbekannt. Dann stellt man sich die Frage, was das Produkt in Säugetieren ist, weil das bisher von niemandem beobachtet wurde. Es sind Schwefelkügelchen im Menschen, aber tatsächlich handelt es sich dabei um Thiosulfat. Unser Körper erzeugt also die anorganische Verbindung Thiosulfat. Und das geschieht durch die sequenzielle Aktion einer Schwefeldioxygenase. Das erste daraus entstehende Produkt ist Sulfid. Dann erfolgt eine Schwefeltransferase, die das Sulfid um ein Schwefelatom ergänzt und das Ergebnis ist Thiosulfat. Und diese beiden Enzyme befinden sich tatsächlich in der Mitochondrienmatrix. Aber wie das Thiosulfat dann exportiert wird, wie das Thiosulfat entsorgt wird, ist unbekannt. Der weitere Stoffwechsel dieses Produktes ist unbekannt. Es gibt also noch einiges zu tun. Ich möchte noch einige allgemeine Worte zu Membranproteinstrukturen sagen. Heute ist die Struktur von 484 Membranproteinen bekannt. Das sind ungefähr 1.500 Koordinatendateien. Sie sehen hier, dass wir 1986 die ersten Strukturen ermittelt haben, und das ist dann sehr langsam in Gang gekommen. Aber dann lernte man tatsächlich, wie Membranproteine kristallisiert werden. Aber ich muss sagen, dass das nicht in erster Linie eine Frage der besseren Techniken ist. Es ist in erster Linie eine Frage der Auswahl der besser kristallisierbaren Membranproteine. Selbst wenn man am eigenen Membranprotein arbeitet, an einem ausgewählten Membranprotein, kann das 10 oder 20 Jahre dauern, bis man das Ergebnis hat. Heute achtet man auf die stabilsten Varianten und dann gelingt es manchmal, die Kristalle innerhalb von wenigen Monaten zu erzeugen. Deshalb müssen wir weitermachen. Aber mit den Fortschritten bei den humanen Membranproteinen geht es nach wie vor nur langsam voran. Bis heute sind rund 40 humane Membranproteine bekannt. Unser Körper enthält 6.000 bis 7.000 Membranproteine. Es bleibt also noch eine Menge zu tun, bevor man tatsächlich Arzneimittel zur Heilung von Krankheiten für die Membranproteine des menschlichen Körpers entwickeln kann. Hier sind die Methoden zur Ermittlung der Membranproteinstruktur aufgelistet: für einige kleine Proteine, für mehr oder weniger 1 oder 2 transmembrane Helices oder einige kleine Membranproteine mit Beta-Strängen. Lösungs-NMR mit 40 Strukturen und Festkörper-NMR mit 2 Strukturen haben ebenfalls ihren Weg zu den Membranproteinen gefunden. Und wir haben die Kristallographie, die Röntgenkristallographie, mit der die meisten Strukturen ermittelt wurden. Die Elektronenkristallographie hat 7 Strukturen ermittelt. Aber 5 von den 7 Strukturen wurden ebenfalls durch Röntgenkristallografie ermittelt. Und die Qualität der mit Röntgen ermittelten Strukturen war besser als die der mit Elektronenkristallographie ermittelten Strukturen. Die Röntgenkristallographie ist also der Sieger. Wie sieht die Zukunft aus? Ich glaube nach wie vor, dass die Röntgenkristallographie die Zukunft ist. Vielleicht haben Sie gehört, dass es heute große Maschinen gibt, Freie-Elektronen-Laser. Einer befindet sich in Stanford. Ein anderer wird derzeit in Hamburg gebaut. Und auch in Japan wird bald einer in Betrieb genommen. Ziel ist es letztendlich, die Beugung mit einzelnen Molekülen durchführen zu können. Dann könnte man sich eine Kristallisierung ersparen. Aber das ist nach wie vor ein Traum. Dahinter steckt die Vorstellung, dass man ein Diffraktionsmuster eines einzelnen Moleküls erfassen kann, bevor es explodiert. Man hat einen sehr, sehr kurzen Röntgenblitz und die Elektronen interagieren natürlich mit den Röntgenstrahlen. Sie werden weggeblasen. Aber die Diffraktion ist da. Das Molekül ist verschwunden und man hat ein freies Plasma. Das könnte die Zukunft sein, dann bräuchten wir keine Kristalle mehr. Aber ich fürchte, dass das ein Traum bleibt. Die offene Frage, die ich nicht beleuchtet habe, ist nach wie vor die nach dem Mechanismus. Ich habe den im Fall der Sulfid-Quinon-Reduktase entdeckt, ohne auf die atomaren Details einzugehen. Aber Diffraktionsmethoden liefern statische Bilder. Wenn man Aktionsmechanismen erforschen will, braucht man Strukturen von katalytischen Intermediaten. Man muss Varianten analysieren und verschiedene Spektroskopiearten einsetzen, vielleicht Photonentransformations-Infrarotspektroskopie, vielleicht EPR, vielleicht NMR. Das hängt vom Protein ab. Und ich bin zufrieden, wenn ich den Mechanismus eines Proteins herausfinde und dabei wirklich in die Tiefe gehen kann. Wie ich bereits sagte, bleibt noch eine Menge zu tun und so hoffe ich, dass Sie sich für diese interessanten Fragen interessieren. Und damit möchte ich enden und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit danken.

Hartmut Michel on "Membrane Proteins: Importance, Functions, Mechanisms" and doing the impossible.
(00:05:15 - 00:07:53)

The complete video is available here.

 

The Energy Currency of Life

The most recent Nobel Prize related to photosynthesis (Paul D. Boyer and John E. Walker, 1997) covers an even broader process which also applies to cellular respiration in mitochondria: the formation of ATP[14]. The molecule represents the energy currency of life, as all living organisms — from bacteria and fungi to plants and animals — use ATP for chemical energy storage and transfer.

The enzyme ATP synthase sits in the membrane of chloroplasts and catalyses the synthesis of ATP from adenosine diphosphate (ADP) and phosphate[15]. The driving force behind this reaction is the energy stored in the proton gradient, or the difference in hydrogen ion concentration between the inside and outside of the membrane. Essentially, a high energy electron is passed along an electron transport chain, which forces hydrogen ions out of the chloroplast[16]. The resulting gradient drives hydrogen ions back inside through ATP synthase and kicks off the reaction that creates ATP.

The following Mini Lecture outlines how photons from sunlight excite electrons in chlorophyll to an energetically higher state and then pass through a series of transport steps.

Photosynthesis (2015) - Photosynthesis is the most crucial chemical process for the existence of life on earth.

Every mammal and thus every human needs oxygen to live. The gas makes up around 20 percent of the air around us. But where does it come from? It’s produced by photosynthesis a complex physical-chemical reaction that takes place in the leaves of plants. No other chemical process is as crucial for the existence of life on Earth. Plants don’t only generate the air we breathe, they are also so-called ‘primary producers’ that use inorganic materials to make the biomass that feeds other organisms. Without plants no food and no tertiary consumers like us humans. Photosynthesis captures the energy from sunlight to reduce carbon dioxide to sugars. This process involves splitting water. The photosynthetic process converts light energy into chemical energy. The all-important oxygen that results from the water splitting is merely a by-product. This process by which biology harvests energy is photosynthesis. And it’s an incredibly complex process but consists of 2 separate reactions, the so-called light reaction where solar energy is used to split water and generate oxygen and reducing equivalents. And of course without this reaction there would be no life on Earth. The reaction takes place in cell structures called chloroplasts. A single square millimeter on the surface of a leaf may have a half million of these kidney-shaped organelles. They contain the pigment chlorophyll which gives the leaf its green color. Two forms, chlorophyll a and b, along with other pigments called carotenoids, have a very special ability. Thanks to their chemical structure they are able to absorb sunlight and harness the captured energy to drive biochemical processes. Sunlight contains a broad spectrum of different wavelengths. When it strikes matter can be reflected, transmitted or absorbed. The wavelengths that are absorbed by a leaf are eliminated from the reflected or transmitted residual light. Chlorophyll absorbs light in the red and blue regions of the spectrum while green light in the wavelength range of around 500 to 570 nanometers is reflected. That’s why leaves appear green. Photosynthesis consists of two coupled reaction chains. In the first one, called the ‘light reaction’, the photons of the sunlight excite electrons in chlorophyll into to an energetically higher state. These electrons are captured by so-called ‘acceptors’ and passed on through a series of transport steps. The missing electrons in the chlorophyll molecules are replaced by electrons produced by the splitting of water molecules. This process releases the oxygen that we breathe in from the atmosphere. Two different complexes in the chloroplast membrane called ‘photosystems’ are excited by sunlight and the energy they capture is used to build up the energy-rich compounds adenosine triphosphate and NADPH along with a proton, H+ The electron flow in the photosynthetic membranes of chloroplasts and also cyanobacteria is seen here. You have in the plant and in cyanobacteria, you have first photo system 2. Photo system 2 is where the water splitting occurs with the release of the oxygen. You get a transfer of the electrons across the membrane. And there the electron moves on to another complex. Then you’re going to a PC1 complex where you transfer the electrons back across the membrane. You produce another molecule, called plastocyanin, this donates electrons to the photo system 1. Then the electrons are transferred here to another, to ferredoxins and at the end you reduce NADPH, which is a co-enzyme. So this is what happens in the light reaction. These molecules are used in the second set of photosynthetic reactions, the Calvin Cycle, to synthesize the sugar, glucose. The carbon dioxide needed for that is taken in through pores, or stomata, in the epidermis of the leaf. A certain protein, called the RuBisCo protein for short, is particularly important in the Calvin cycle. It catalyzes the first major step in the cascade of reactions that “fixates” the CO2 diffusing in through the stomata. RuBisCo is estimated to be the most abundant protein on earth. So, photosynthesis uses a highly elegant method of converting solar energy into chemical energy. We humans can indeed be jealous. If we were able to mimic the principles of photosynthesis on a large scale, it could have enormous potential for generating clean energy. Scientists around the world are working intensely on a way of imitating the process a collaboration of more than 160 researchers from various disciplines and universities in the United States. The project was founded in 2010. The researchers are focusing on developing high-performance photocatalysts based on the natural process of photosynthesis. Photocatalysts speed up light-triggered decomposition reactions that can be used to generate energy The idea is ultimately to produce a kind of “solar fuel”. Our goal is to produce an electric vehicle by 2022 that would cost... a 4 or 5 passenger car that would cost about $20,000/$25,000. And we call this 'EV Everywhere'. We got the president to announce this. So this was a good coup for us. You could say, well, you know electric cars, who wants to buy electric car, not a very exciting tiny thing. But let me tell you, I have a friend who owns one of these babies. This is a Tesla S, a very, very exciting car. You know, I don’t know why, who wants to go to 0-60 in 4.5 seconds but that’s what it does. And it goes 300 miles on a single charge. And if you look on the inside, that big thing in there is an LED display touch screen that is like a humongous iPhone. And you can touch it and it’s as intuitive as an iPhone. My friend... I’ve ridden in this a couple of times and he just raves about it. He loves this car. But this car costs nearly $80,000. And so you’ve got to get the price of the car down. The performance is there, it has more luggage space than a normal car. It has a front and a back trunk because the battery is underneath. One major problem is still how best to store the generated energy. Research is also focused on finding the appropriate materials for inexpensive and sustainable catalysts. A prototype of an artificial leaf already exists and in fact it has an energy yield ten times that of a normal leaf. Artificial photosynthesis could generate oxygen in extraterrestrial colonies or here on Earth provide entire towns in the developing world with electricity –at least that is the vision. But whether it will be realized remains to be seen. One thing is clear: the Age of Photosynthesis, a three billion year old natural processs, has really only just begun.

A brief introduction to photosynthesis
(00:02:54 - 00:03:45)

The complete video is available here.

In 1974, American biochemist Paul D. Boyer presented a theory on how ATP synthase worked, called the binding-change hypothesis. It described in detail how the enzyme catalyses the synthesis of ATP from ADP and phosphate [17]. Over two decades later, the theory was experimentally validated when British chemist John E. Walker used X-ray crystallography to determine the enzyme’s structure [18]. Boyer and Walker each received one-quarter of the 1997 Nobel Prize in Chemistry for their respective work on ATP synthase.

In the following clip from his 2014 Lindau lecture, Walker talks about the advances in imaging that have elucidated ATP synthase in even further atomic detail, and what differences are found in the molecule between mitochondria and bacteria/chloroplasts.

Sir John Walker (2014) - Generating the Fuel of Life

Let me start out by saying how grateful I am to be here and have the privilege of addressing this wonderful gathering of students. So I thank the Countess Bettina and the council for the opportunity to do so. Now, when I was awarded the Nobel Prize in 1997, the Nobel Foundation asked me, as I’m sure they do all other laureates, to write a brief autobiographical account and explain who are the major influences in life who had got me to Stockholm. And I’ll start out by giving you one such example. So, from 1972 to 1974 I was working away very happily at the Pasteur Institute in Paris in the laboratory of Georges Cohen. And I was using skills that I’d developed in protein chemistry to study enzymes that were involved in making the amino acid methionine. And then I did something very faithful. I wanted to extend my skills in protein chemistry. And so I went to Cambridge on a course that was held there around Easter in 1974. And at this meeting, at the dinner, I met this remarkable man, Frederick Sanger. So Fred is one of 3 scientists who won 2 Nobel Prizes for chemistry, the other ones being Madame Curie and John Bardeen. And of course Linus Pauling won one for chemistry and one for peace. Fred’s first Prize as you can see was in 1958. He sequenced the first protein, the insulin. And the importance of this was not just that it was the first protein, but it demonstrated that proteins had a defined sequence which some people doubted. Although Fred said that he didn’t. But the important corollary to this was that if it had a defined sequence, that information had to be stored somewhere. And then his second Prize came in 1980, awarded jointly to Wally Gilbert and Paul Berg. And Fred’s contribution was that he’d developed methods for sequencing DNA. Now, when I went to work with him in 1974, he was just developing those methods and applying them to the genome of the bacteriophage phiX174. And actually Elizabeth Blackburn also participated in that effort as a PhD student. And what Fred asked me to do was to sequence the proteins that were encoded in the genes that he was sequencing because he wanted to be sure about the accuracy of his DNA sequencing methods. And this was a way of checking that. In retrospect it sounds banal but of course there was a huge pay off. And that was that we discovered triple overlapping genes in those bacteriophages. That is to say that all 3 phases of DNA were being used to encode different proteins. This was mentioned by Hamilton Smith yesterday. I still find it a very remarkable observation. And really this set the course for the rest of my scientific life up to the present day. And so the first lesson I have for young scientists is you should choose an excellent mentor as I did in Fred. And as I’ve said, the reason that he was interested in me was because I had these skills in protein chemistry. And according to my friends, I developed these skills at a very early age. This is me reading this book, “The ABC of Protein Chemistry”. Now, the next thing that Fred decided to do was to move to a somewhat larger genome that’s found in the mitochondria of human cells. So this is a modern depiction of mitochondria. Here is the nucleus of the cell. And what you can see is that the mitochondria extend throughout the cytoplasm. And sometimes they’re in this fused state where they form a reticulum. And at other stages they’re all in this fission state for example during apoptosis. And there is a dynamic equilibrium between these 2 states. And so this is rather different than the text book picture. At least the text books that I read of the mitochondrion. So they’re all joined into this dynamic reticulum. And within each of these cells there can be up to 3 to 400 copies of mitochondrial DNA. In a haploid cell there would be one set of nuclear genes but several hundred copies of mitochondrial DNA. So the genome was sequenced. It’s about 17 kilobases of circular double stranded DNA. And again my task was to try to identify the protein genes that were... the genes encoding proteins in that genome. There are 13 such proteins. So the mitochondria contain about 2,000 different proteins in human cells and only 13 of them are encoded in the mitochondrial genome. The others are the products of nuclear genes. And they’re imported into the organelle. And also within this genome there are 2 genes that encode RNase, 16S RNA, 12S RNA that become incorporated into the mitochondrial ribosomes because the mitochondria have their own ribosomes, their own system for replication, transcription and translation. And all of the proteins that go to assemble with these RNA molecules are coming from nuclear genes. And then the other genes within this genome are 22 genes for tRNase. These are represented by these circles. And there are a minimal set that would translate the products of the mitochondrial genome. And so the question was: What are the proteins? And nothing was known at the beginning. What was obvious was that all of these proteins were extremely hydrophobic. And so I started looking in the inner membranes of mitochondria and identified this cluster of genes here as encoding sub units 1, 2 and 3 of cytochrome oxidase that Hartmut Michel talked about earlier this morning. And then these 2 genes here which encode components of the ATPase complex that I’m going to talk about in a moment. And actually these were another example, strangely enough, of overlapping genes. And also from these studies on these proteins came verification of the modified genetic code that’s found in human mitochondria. And then the other genes shown in green and blue were identified by other people, largely by Giuseppe Attardi at Caltech. Now people had looked at the inner membranes of mitochondria, where all of these 13 proteins were, in the 1960s using electron microscopy. And negatively stained... That would negatively stained. And what they could see was that the membranes were covered in structures -one pointed to here- that they called lollypops. So there was a head and then the head was held to the membrane by a stick. And it was an American biochemist called Efraim Racker who demonstrated that these were the ATP synthesising complexes that were involved in generating ATP within the mitochondrion. Now, Henri Matisse also knew about mitochondria. The lady who showed us around the exhibition the other day had a different story but these are obviously mitochondrial membranes. And these are ATP synthase complexes. And here is a different view of the mitochondrion, of these lollypop structures taken more recently by a group in Groningen. And what one can see here is that these lollypop structures are arranged in pairs. And then the pairs of structures make long rows. And we now know that these rows extend around the edges of the cristae of the mitochondria. And actually it’s these assemblages that give the inner membranes of the mitochondria their highly invaginated structure. And if you remove the capability of these complexes to dimerise, you lose the crystal structure inside the mitochondria. So what I did then for the next 20 odd years was to build up a structure of this complex at molecular level largely by x-ray crystallography. Of course we had to identify the protein sequence, all of the protein sequence, the genes, crystallise different parts and solve their structures by x-ray crystallography. And this picture is actually based on more than 30 high resolution structures that we’ve solved over the years. This part is the catalytic part where the ATP is being made. You can see this interface opening and closing. It opens and then the change between opening and closure is being driven by the rotation of this central shaft. So here is the inner membrane of the mitochondrion. And there’s a voltage across this membrane, sometimes referred to as the proton motive force. Minus 200 millivolts. And that voltage drives that rotation. I’ll explain it in greater detail. This part here is referred to as the peripheral stalk. And it’s linking the external surface of the catalytic domain to this part down here. So all of this is static, it’s the stator relative to the blue rotor. And you’ll notice that whilst we’ve got exquisite details for most of this structure in this region here that detailed information is missing. And that has been my quest now for several years, was to get that information. Because this is a critical part of the enzyme because it’s in this interface between the green protein and the rotating ring that the rotary torque is somehow generated. So what the enzyme is doing is to convert the voltage across the membrane into this rotary motion. And the rotary motion then makes the catalytic part bind ADP and phosphate and turn it into ATP. And each of you today will make 60 kilograms of ATP in your mitochondria by this process. So it’s a massive process. This is an extraordinarily efficient machine. I’ve slowed down the rotation because it’s actually rotating between, somewhere between 500 and 1,000 times per second. So it’s spewing out huge amounts of ATP inside your mitochondria. Now, the structural characterisation was our contribution but there are also important bio-physical experiments done in Japan by Kinosita, Yoshida and Noji. So guided by structures we’d done, they build this, first of all built this chimera. So here’s the catalytic part, upside down relative to the way I’ve been showing it. And here’s the central part of the rotor. And so what they did was to attach an actin filament from mouse skeletal muscle and then added ATP. Now the filament is big enough to be seen in a fluorescence microscope. They made the filament fluorescent and so they could observe the rotation. And this was direct proof of the rotary mechanism that we suggested on the basis of looking at our structures. And then in more recent manifestations of this experiment. They’ve replaced the actin filament with gold beads. And look how... This is drawn to scale. Look how big the bead is relative to this little biological machine but yet it’s able to turn this bead around, speeds approaching 150 per second. So this is one of their experiments here. This is the actin filament going around like a propeller. And that rotation depends upon the hydrolysis of ATP. So here in this experiment ATP is the fuel. And one is looking at the back-hydrolytic reaction. And in the synthetic sense when the enzyme is making ATP, the rotation is in the opposite sense. It’s driven by the voltage of -200 millivolts across the inner membrane. And so what about the problem of how to solve the rest of this structure? And you’ve heard many wonderful talks over the past few days describing various structures most of which have been solved by growing crystals of those proteins and solving the structures to atomic resolution by x-ray crystallography. But there is another method which is emerging and in the next year or 2 you’re going to see some spectacular atomic level structures coming out from this procedure of cryo-electron microscopy. Now you heard an explanation of it earlier. But I’ll go over it again. So here in this top panel here there are particles of purified ATPase complexes that have been frozen in vitreous ice in a hole in an electron microscope grid made of carbon. And there is sufficient contrast that you can see these particles. So what you do is you pick them, as depicted in these panels here, and then classify them into these different groups here. So these are different views, different aspects of the ATPase complex. And this particular group... That peripheral stalk is on the left. In this group here it’s on the right. And in this group here it’s hidden around the back. And so from this information you can build up a 3 dimensional model. And you can... With appropriate quality of information you can get to atomic resolution. And this is a principle of it. So here is this 3 dimensional duck at the top. And what you’re doing is you’re recording different 2 dimensional views which you then turn into 2D Fourier transforms. And then from this you can transform that into a 3D Fourier transform of the object. And then you transform it back again. And you’ve restored... You’ve solved the structure of the original image. And so we applied this structure to the ATPase complex from 2010 to 2012 in collaboration with a former student John Rubinstein who is in Toronto. We got these pictures here at 17 angstroms resolution. It sounds modest but actually there’s a lot of information in it. The part in the middle of course we already knew the atomic structure and the green part down the middle. But these blue parts here were new. This was new information. At modest resolution but it was new information. But it was an awful lot of work. It took 2 years and one had to pick 60,000 of these particles by hand and assemble them into classes and solve this structure in this way. But there have been recent advances in cryo-electron microscopy so that it’s now possible to determine atomic resolutions of protein complexes that are greater than 200 kDa. And actually this number is being driven down to lower molecular weights all the time. And the fact that it’s made... the difference is in the development of new detectors for electrons that you associate with the electron microscope. They’ve got increased. So they detect the electrons directly whereas the previous detectors that were used detected the electrons indirectly. The electrons made light and you detected the light. And this has meant there’s been a big increase in signal to noise and much faster acquisition of data so that you can now collect the images on a movie. And this... Steven Chu referred to this point in his experiments yesterday. And so by collecting the images so quickly you reduce one of the problems that blurred out the images that you are seeing, namely the impact of the electrons on the protein complexes made them move. But if you collect the images quickly then that is reduced. And of course you reduce any possibility of mechanical motions that are coming from the movement of the microscope itself. And concomitant with this of course as usual has come big improvements in computational methods. And so just a few weeks ago we collected 10,000 particles from an ATP synthase from a fungus. It’s a thermophilic fungus called Pichia angusta. And in 2 weeks from start to finish after purifying the enzyme as on the left collecting the images as in the middle we’d computed this image now at superior resolution that had taken us 2 years in the past. There’s much more detail in this structure. We’ve not actually looked inside to interpret it because we know that by collecting more particles So this is a very exciting development in structural biology and it is undoubtedly going to have a huge impact. Now another thing that we’ve done over the years was to compare the mitochondrial enzymes on which almost all the structural work is being done with bacterial complexes. There’s much less structural work on bacterial ATPase complexes. But you can see there’s a great deal in common. There’s a common core. The catalytic parts are very similar. The rotor rings are similar. But you’ll see that they have different numbers of C proteins in the ring. This is not a constant. And that has important consequences. There is an A protein that is actually providing the pathway for protons to get through the membrane and is involved in the generation of rotation. And then there’s a peripheral stalk in both cases but their compositions differ. And the biggest difference is that in the mitochondrial enzymes there are 6 additional proteins in the membrane domain which have got nothing whatever to do with making ATP but they turn out to have great significances. I’ll show you towards the end of this talk. So this is the way we think rotation is generated. Here’s the A protein that we lack... where we lack atomic resolution data. And the idea that came from Wolfgang Junge is that there’s a half channel that allows protons to access a negatively charged carboxyl group. So there’s a negatively charged carboxyl in each of the C proteins that make the ring. And in this model there are 12 C proteins in the ring. And here the carboxyl is negatively charged. The proton goes in through the half channel, neutralises it, makes it more hydrophobic and therefore simply through Brownian motion the neutralised carboxyl will move to this position here bringing another negative charge. Another proton will go in and so you can see that as this happens in this stepwise fashion, the protons get carried around the ring until they reach this site here where it’s imagined that the properties of this part of the interface makes the carboxyl re-ionise, re-generate the negative charge and now release the proton on the other side of the membrane through another half channel. Now if there were 12 C proteins in this ring to generate a 360 degree rotation, you’d require 12 protons. And since this rotor is attached to the stalk that I showed you earlier, the blue stalk which turns around in the catalytic part and since the catalytic part contains 3 catalytic sites, every time the rotor goes round you make 3 ATP molecules up here. And therefore the cost in this case of making an ATP molecule would be 12. The symmetry of the ring divided by 3. So that would be 4 protons per ATP. So it’s the ring symmetry divided by 3 that gives you this cost which is very important and central to bioenergetics. This cost of making ATP molecules. Now to everybody’s surprise it’s turned out that the different ATPases from different species have different ring symmetries. And we now know from our own work that the ATPases in metazoans from man down to sponges, porifera, have rings with 8-fold symmetry. Yeast has 10-fold symmetry. And then eubacteria -has been demonstrated largely in Frankfurt- the eubacterial rings have anything from 10 to 15-fold symmetry. And then spinach chloroplast where there’s an ATPase complex has 14-fold symmetry. And so from this you can deduce that the cost, the number of protons per ATP is 2.7 in metazoans and it goes up to 3.3 in yeast and then up to 5 protons per ATP in some eubacteria. So what does this mean? So, if you look at the structures of these rotor rings. So they’re drawn to the same scale in cross section. This is our human ring that’s been driven round requiring 2.7 protons to make each ATP. And this is the one for example found in the cyanobacterium synechococcus. It’s got 15-fold and this organism pays 5 protons to make each ATP. So it’s less efficient than the metazoan machine. And why has this situation evolved. Well, we think it’s because that in the metazoan mitochondria there is this very large membrane potential, minus 200 millivolts, which can drive the ring whereas these organisms live in relatively impoverished energetic circumstances. They generate a lower membrane potential. And so the cost they have to pay then is to drive a bigger ring around in order to make 3 ATP molecules. So this is a low gear in the machine and this is a high gear. And this is the highest gear that is being observed. I think it will be the highest gear that exists in biology. So that’s one way in which ATPases differ between man and bacteria. And the reason we’re interested to know this is we think that the ATPase complex is actually a very good target for developing new antibiotics and new drugs. And one of my students, Alice Zong is here in the audience. And she has solved the structure of the enzyme from mycobacterium smegmatis in order to be able to develop new drugs to combat tuberculosis. Now, another way in which they differ, the bacterial and human enzymes, is in the way they’re regulated. And I’ll just talk about the regulation of the mitochondrial enzymes. But first I need to tell you that whilst, as you’re familiar, many proteins of course are structured, they have alpha helices, beta sheets and so forth. But there’s another class of proteins that has come to the fore in the past few years. And these are intrinsically disordered proteins. So you find them. And they have no secondary structure. And they have common features. They’re often heat-stable, have a large number of charge residues, a few bulky residues. Many of them are involved in regulatory mechanisms. And often they will bind to more than one partner. That is to say they can form more than one structure depending upon which protein they’re interacting with. And it turns out that the inhibitory region of the regulatory protein for the ATPase And this protein is heat-stable. A large number of charge residues. A few bulky residues. It’s predicted to be disordered and most importantly its nuclear magnetic resonance spectrum demonstrates that indeed it is a disordered protein. Now, this realisation was somewhat surprising because some years ago we’d solved a structure of the inhibitor protein bound in the ATPase complex. So this is the blue rotor in the middle here. And this is an interface, one of the 3 catalytic interfaces. And this alpha helix you can see here has inserted itself in this interface and has stopped the machine dead. So it’s rather like sticking a stick in a rotating bicycle wheel. You put the stick in, rotation stops. And that’s what happens with the ATPase. And in order to form this inhibitor complex you have to hydrolyse 2 ATP molecules. So the idea was or is that under conditions of anoxia, for example during an ischemic heart attack, that the proton motive force would become dissipated because of the onset of glycolysis. This would then make the enzyme to start to run backwards. It would destroy the ATP that had been made. But this protein becomes activated by a mechanism. I won’t describe. It’s normally quiescent. And then intervenes and stops the back reaction. And then if you restore the proton motive force, put it back under conditions where there’s oxygen, the rotation goes in the opposite sense and the inhibitor is removed. So this has remarkable property from an enzyme point of view of being a unidirectional inhibitor. It only inhibits ATP hydrolysis and not synthesis. Now what we’ve just done is we’ve managed to solve structures where we had 3 inhibitor proteins bound to the complex. We had very large excesses of inhibitors with specific mutations that I won’t describe. And what we could see... So if you imagine that the inhibitor protein is completely disordered in free solution, it then starts to bind to the ATPase complex through the most open of those 3 catalytic interfaces, through the so called empty E interface. And then this little nucleus of an alpha helix starts to form. The rotor then rotates through 120 degree step driven by the hydrolysis of the first ATP. The site closes. You can see that the aspect that you’re looking at, that the rotor has changed. And now the helix can elongate itself and forms a somewhat longer helix. And then there’s another 120 degree step, the rotation of the rotor driven by hydrolysis of the second ATP. And now the inhibitor can extend its structure to the one that we’d observed in the past. So this is a very nice observation which was unexpected in many people’s minds that one would be able to observe folding intermediates of intrinsically inhibitor proteins by x-ray crystallography. And this is... This paper was accepted yesterday by the PNAS. Now I want to tell you about another extremely important way of uncoupling the ATPase. And this is via something called the permeability transition pore. So the phenomenon of the permeability transition has been known for more than 30 years. But there was no molecular explanation. So let me explain. So on the left... Don’t bother about the left. This is a depiction of apoptosis which is familiar to you leading to cell death. On the right is a depiction of how people think necrosis, another form of cell death, is triggered. So the idea is that calcium is released in response to various stresses. It could be reactive oxygen. It could be a variety of things. So oxygen in this case... calcium ions are being released from the endoplasmic reticulum into the cytoplasm. And under those conditions the calcium ions are rapidly taken up by proteins in the inner membranes of mitochondria into the matrix of the mitochondria. And this influx of large amounts of calcium has the effect of opening a pore which is called the mitochondrial permeability transition pore. And it’s regulated by a protein that Kurt Wüthrich mentioned yesterday, cyclophilin D to which cyclosporine A binds. So cyclosporine A actually prevents the opening of this channel. And then what happens is that this channel, which is a big, big channel, it’s said to release molecules up to 1.5 kDa. This disgorges the contents of the matrix of the mitochondria. Water rushes in. The mitochondria swell and then they burst. And then this triggers this cell death process by necrosis. So that those phenomena are well studied and well known. And the question has been: What is the mitochondria permeability transition pore? So you can look at this review in Nature 2 or 3 years ago and what it tells you is that the permeability transition pore is made of a dimer of a transport protein. It’s called that adenine nucleotide transporter. What it’s doing is to remove the ATP made in the matrix and take it outside to make it available to the rest of the cell and bring back ADP. So according to this model the channel is composed of 2 of those proteins and 2 other proteins in the outer membrane that are called the voltage dependent anion channel. And this is completely wrong. Because the permeability transition pore actually resides within the membrane domain of the ATPase complex. So what we’ve done over the past 18 months using RNAi in human cells, is to eradicate each of the proteins in the peripheral stalk, each of these proteins, the C proteins then by another means, I won’t explain, the A proteins and also the gamma proteins. We’ve done each of these one at a time and looked to see what was the impact on the opening of the permeability transition pore. Removing this protein had no effect, this had no effect, this had no effect, this had no effect, no effect, no effect. But the ones that were important were e, f, g, DAPIT 6.8 proteolipid and B. And so these are the so called supernumerary proteins. Each of them appears to have one transmembrane helix. We don’t actually know how many copies of each there are. But we’re determining that at the moment. We don’t know which way round they are. Is it N-terminus in or out. But anyway the suppression of any one of them abolishes this permeability transition. But we’re still not able to say precisely what makes the pore because when you suppress E you also lose G from the ATPase complex and vice versa. And there are similar relationships between these 2 proteins. So we can’t right now say exactly what it is. And so our conclusions is that those proteins are involved and A and C are not. And what we’ll do is now determine the precise structure of this pore. We’ll find inhibitors which have got tremendous medical potential. And so my pursuing this enzyme complex for now 35 years has provided some more lessons for young scientists. You need to choose your topic well. You’ll definitely need stamina if you’re going to solve a problem like this. And of course everybody needs some luck. And then you may eventually end up in Stockholm as we did in 1997. So this is Paul Boyer, Jens Skou and myself, the chemistry recipients. And if you look carefully, you’ll see here on the left is Steven Chu receiving his physics prize. So thank you very much. Applause

Zunächst möchte ich zum Ausdruck bringen, wie dankbar ich bin, hier sein zu dürfen und vor diesen wunderbaren Studenten sprechen zu können. Ich danke Gräfin Bettina und dem Kuratorium für diese Gelegenheit. Als ich 1997 den Nobelpreis erhielt, bat mich die Nobel-Stiftung wie wohl jeden anderen Preisträger auch, ein kurzes autobiographisches Profil über mich zu schreiben und zu erläutern, welche wesentlichen Einflüsse im Leben mich letztendlich nach Stockholm geführt haben. Und ich möchte hier beginnen, indem ich Ihnen eines dieser Beispiele erzähle. Von 1972 bis 1974 arbeitete ich mit Freude am Institut Pasteur in Paris im Labor von George Cohen. Und ich nutzte dort meine auf dem Gebiet der Proteinchemie erworbenen Fähigkeiten für die Untersuchung von Enzymen, die an der Bildung der Aminosäure Methionin beteiligt sind. Und dann wollte ich etwas sehr Traditionsverbundenes machen, nämlich meine Kenntnisse in der Proteinchemie verbessern und besuchte deshalb ein Seminar in Cambridge, das um Ostern 1974 herum stattfand. Und bei dieser Gelegenheit traf ich bei einem Abendessen diesen bemerkenswerten Herrn, Frederick Sanger. Fred ist einer von drei Forschern, die zwei Nobelpreise für Chemie erhalten haben. Die beiden anderen sind Madame Curie und John Bardeen. Und Linus Pauling erhielt einen Nobelpreis für Chemie und einen Friedensnobelpreis. Seinen ersten Preis konnte Fred, wie Sie hier sehen, 1958 entgegen nehmen. Er hatte das erste Protein, Insulin, sequenziert. Und das war nicht nur deshalb so bedeutend, weil es das erste Protein war, sondern weil damit nachgewiesen wurde, dass Proteine eine definierte Sequenz aufweisen, was einige Wissenschaftler bezweifelt hatten. Fred hatte, wie er sagte, nie daran gezweifelt. Die logische Folge war aber auch, dass – sofern es denn eine definierte Sequenz gäbe – diese Informationen irgendwo gespeichert werden mussten. Seinen zweiten Nobelpreis erhielt er 1980 gemeinsam mit Wally Gilbert und Paul Berg und sein Beitrag bestand aus der Entwicklung von Methoden zur DNA-Sequenzierung. Als ich 1974 bei ihm anfing zu arbeiten, entwickelte er diese Methoden gerade und setzte sie am Genom des Bakteriophagen phiX174 ein. Auch Elizabeth Blackburn war als Doktorandin an diesen Arbeiten beteiligt. Fred bat mich, die in den Genen kodierten Proteine zu sequenzieren, weil das eine Möglichkeit war, die Genauigkeit seiner DNA-Sequenzierungsmethode zu überprüfen. Rückblickend mag das banal klingen, aber natürlich hat sich das enorm ausgezahlt, denn wir entdeckten dabei in diesen Bakteriophagen dreifach überlappende Gene. Und das bedeutete also, dass alle drei DNA-Phasen zur Kodierung verschiedener Proteine verwendet wurden. Hamilton Smith hat das gestern erwähnt. Ich finde das nach wie vor eine sehr bemerkenswerte Beobachtung. Und sicherlich wurden damals auch die Weichen für meine wissenschaftliche Zukunft bis zum heutigen Tage gestellt. Meine erste Lektion für Sie als junge Wissenschaftler lautet deshalb, dass Sie sich einen ausgezeichneten Mentor suchen sollten, wie ich ihn in Fred gefunden habe. Und wie ich bereits sagte, war ich für ihn interessant, weil ich diese Fähigkeiten in der Proteinchemie mitbrachte. Und wenn ich meinen Freunden glauben darf, habe ich diese Fähigkeiten bereits sehr früh entwickelt. Hier sehen Sie mich beim Lesen des Buches „The ABC of Protein Chemistry“. Als Nächstes wollte sich Fred einem etwas größeren Genom zuwenden, das in den Mitochondrien von menschlichen Zellen zu finden ist. Das hier ist eine moderne Abbildung von Mitochondrien. Hier ist der Kern der Zelle. Sie sehen, dass die Mitochondrien über das Cytoplasma hinausreichen. Und zum Teil sind sie in diesem verschmolzenen Zustand, in dem sie ein Retikulum bilden. Und in anderen Phasen sind sie in diesem Teilungszustand, beispielsweise während der Apoptose. Und zwischen diesen beiden Zuständen besteht ein dynamisches Gleichgewicht. Das sieht doch ganz anders aus als das, was die Bilder in Lehrbüchern zeigen, zumindest den Lehrbüchern, die ich über das Mitochondrium gelesen habe. Sie sind alle zu diesem dynamischen Retikulum verbunden. Und innerhalb dieser Zellen können sich bis zu 300 oder 400 Kopien der mitochondrialen DNA befinden. Und in einer haploiden Zelle würde sich ein einziger Satz an nuklearen Genen befinden, aber mehrere hundert Kopien der mitochondrialen DNA. Das Genom wurde also sequenziert. Es hat rund 17 Kilobasen zirkulärer doppelsträngiger DNA. Und erneut war es meine Aufgabe, die Protein-Gene zu identifizieren, die … die Gene, die in diesem Genom Proteine kodieren. Es gibt 13 solcher Proteine. Die Mitochondrien menschlicher Zellen enthalten also rund 2.000 verschiedene Proteine und nur 13 davon sind im mitochondrialen Genom kodiert. Die anderen sind die Produkte nuklearer Gene. Und die werden in die Organelle eingeschleust. In diesem Genom gibt es auch zwei Gene, die RNase, 16S RNA, 12S RNA kodieren, die in die mitochondrialen Ribosome eingeschleust werden. Denn die Mitochondrien haben ihre eigenen Ribosome, ihr eigenes Replikations-, Transkriptions- und Translationssystem. Und alle Proteine, die sich dann mit diesen RNA-Molekülen zusammenschließen, stammen aus den nuklearen Genen. Die anderen Gene innerhalb dieses Genoms sind 22 Gene für tRNase. Sie werden durch diese Kreise repräsentiert. Und es gibt einen minimalen Satz, der die Produkte des mitochondrialen Genoms translatiert. Die Frage war also: Welche Proteine sind es? Und zunächst wusste man überhaupt nichts. Offensichtlich war nur, dass diese Proteine alle extrem hydrophob waren. Und so begann ich damit, die Innenmembranen von Mitochondrien zu untersuchen und identifizierte diese Gruppe von Genen als kodierende Untereinheiten 1, 2 und 3 der Cytochrom-Oxidase, über die Hartmut Michel heute Vormittag gesprochen hat. Und später diese beiden Gene hier, die Bestandteile des ATPase-Komplexes kodieren, über den ich gleich noch sprechen werde. Und tatsächlich waren sie, seltsam genug, ein weiteres Beispiel für überlappende Gene. Und durch die Untersuchung dieser Proteine konnte auch der modifizierte genetische Code verifiziert werden, der in Mitochondrien zu finden ist. Die anderen Gene, die hier in Grün und Blau gekennzeichnet sind, wurden von anderen identifiziert, größtenteils von Giuseppe Attardi am Caltech. In den 1960er Jahren hatten Forscher mithilfe der Elektronenmikroskopie die Innenmembranen von Mitochondrien untersucht, wo sich diese 13 Proteine alle befinden. Und das wurde negativ gefärbt … negativ gefärbt. Und so konnten sie erkennen, dass die Membranen in Strukturen eingehüllt waren - eine ist hier zu sehen - die sie Lollypops nannten. Es gab also einen Kopf und der Kopf wurde mit einem Stift an der Membran festgehalten. Der amerikanische Biochemiker Efraim Racker wies nach, dass es sich hierbei um die ATP-synthetisierenden Komplexe handelte, die an der Erzeugung von ATP im Mitochondrium beteiligt sind. Nun, auch Henri Matisse kannte schon Mitochondrien. Die Dame, die uns dieser Tage durch die Ausstellung geführt hat, hat eine andere Geschichte dazu erzählt. Aber dies sind ganz offensichtlich Mitochondrienmembranen. Und das hier sind ATP-Synthase-Komplexe. Und das hier ist ein anderes Bild des Mitochondriums, dieser lollypop-artigen Strukturen. Es wurde kürzlich von einer Gruppe in Groningen erstellt. Und hier sieht man, dass diese Lollypop-Strukturen in Paaren angeordnet sind. Die Strukturpaare bilden lange Reihen. Und heute wissen wir, dass sich diese Reihen um die Ränder der mitochondrialen Cristae herum ausdehnen. Und genau diese Verbundstrukturen geben den Innenmembranen der Mitochondrien ihre stark eingestülpte Form. Wenn man die Dimerisierungsfähigkeit dieser Komplexe entfernt, geht die Kristallstruktur im Innern der Mitochondrien verloren. Die nächsten 20 Jahre habe ich mich dann damit beschäftigt, eine Struktur dieses Komplexes auf Molekülebene zu entwickeln, größtenteils durch Röntgenkristallographie. Und natürlich mussten wir die Proteinsequenz identifizieren, die gesamte Proteinsequenz, die Gene, verschiedene Teile kristallisieren und ihre Strukturen mit Röntgenkristallographie aufklären. Dieses Bild hier basiert auf mehr als 30 hochauflösenden Strukturen, die wir im Laufe der Jahre aufgeklärt haben. Das hier ist der katalytische Teil, wo das ATP erzeugt wird. Sie sehen, wie sich diese Übergangsstelle öffnet und schließt. Sie öffnet sich und dann wird der Wechsel zwischen Öffnen und Schließen durch die Rotation dieser zentralen Achse gesteuert. Das hier ist die Innenmembran des Mitochondriums. Und durch diese Membran fließt eine Spannung, die manchmal als Protonengradient bezeichnet wird. Minus 200 Millivolt. Diese Spannung sorgt für die Rotation. Ich will das noch detaillierter erläutern. Das hier ist die periphere Verbindungsachse. Und sie verbindet die Außenfläche der katalytischen Domäne mit diesem Teil hier unten. Und das alles hier ist statisch. Das ist der Stator im Verhältnis zum blauen Rotor. Und Sie werden bemerkt haben, dass wir zwar ausgezeichnete Details für den Großteil dieser Struktur in dieser Region hier haben, hier diese Detailinformationen aber fehlen. Und seit mehreren Jahren ist es mein Bestreben, diese Informationen zu erhalten. Denn dies ist ein entscheidender Teil des Enzyms, da an dieser Schnittstelle zwischen dem grünen Protein und den Rotationsringen in irgendeiner Weise das Drehmoment erzeugt wird. Das Enzym wandelt also die durch die Membran fließende Spannung in diese Drehbewegung um. Und die Drehbewegung sorgt dafür, dass der katalytische Teil ADP und Phosphat bindet und in ATP umwandelt. Und jeder von Ihnen wird heute über diesen Prozess 60 Kilogramm ATP in seinen Mitochondrien erzeugen. Das ist also wirklich ein gewaltiger Prozess. Das ist eine außerordentlich effiziente Maschine. Ich habe die Umdrehung verlangsamt. In Wirklichkeit liegt sie irgendwo zwischen 500 und 1000 Mal pro Sekunde. Da wird also eine riesige Menge ATP in Ihren Mitochondrien ausgespuckt. Unser Beitrag war also die strukturelle Charakterisierung. Aber es wurden auch bedeutende biophysikalische Experimente von Kinosita, Yoshida und Noji in Japan durchgeführt. Mithilfe der von uns aufgeklärten Strukturen haben sie zunächst diese Chimäre entwickelt. Das hier ist der katalytische Teil, genau umgekehrt zu dem, was ich Ihnen gezeigt habe. Und hier ist der zentrale Teil des Rotors. Diese Wissenschaftler haben ein Aktinfilament aus dem Skelettmuskel der Maus befestigt und dann ATP zugegeben. Das Filament ist groß genug, um es in einem Fluoreszenzmikroskop zu erkennen. Sie haben das Filament fluoresziert und konnten so die Rotation beobachten. Und das war der direkte Nachweis des Rotationsmechanismus, den wir auf der Grundlage der Analyse unserer Strukturen vermutet hatten. Und später haben sie in jüngeren Varianten dieses Experiments das Aktinfilament durch Goldkügelchen ersetzt. Und hier sehen Sie wie … das hier ist maßstabsgetreu. Sehen Sie, wie groß das Kügelchen im Verhältnis zu dieser kleinen biologischen Maschine ist. Aber die kann dieses Kügelchen mit Geschwindigkeiten von rund 150 pro Sekunde drehen. Das hier ist eines ihrer Experimente. Dies ist das Aktinfilament, das wie ein Propeller rotiert. Und diese Rotation hängt von der ATP-Hydrolyse ab. In diesem Experiment ist ATP der Treibstoff. Und man beobachtet die hydrolytische Rückkopplung. Im synthetischen Sinne erfolgt die Rotation entgegengesetzt, wenn das Enzym ATP erzeugt. Und das wird durch die Spannung von -200 Millivolt quer durch die Innenmembran gesteuert. Wie sieht es nun mit der Aufklärung der restlichen Struktur aus? Sie haben in den letzten Tagen viele wunderbare Vorträge gehört, in denen verschiedene Strukturen beschrieben wurden, die größtenteils durch die Züchtung von Kristallen solcher Proteine und die Darstellung der Strukturen in atomarer Auflösung durch Röntgenkristallographie beschrieben wurden. Derzeit etabliert sich eine weitere Methode und in den nächsten ein oder zwei Jahren werden wir wahrscheinlich einige spektakuläre Strukturen auf atomarer Ebene zu sehen bekommen, die mit Hilfe dieses Verfahrens, der Kryo-Elektronenmikroskopie, möglich werden. Sie haben eine Erklärung darüber gehört. Aber ich möchte das noch einmal wiederholen. Hier in diesem oberen Teil gibt es Partikel gereinigter ATPase-Komplexe, die in einer Öffnung eines Elektronenmikroskopgitters aus Kohlenstoff in Glaseis eingefroren wurden. Und der Kontrast reicht aus, diese Partikel zu erkennen. Dann nimmt man sie, wie in diesen Feldern hier abgebildet, und klassifiziert sie in diese verschiedenen Gruppen hier. Das hier sind also unterschiedliche Ansichten, unterschiedliche Aspekte des ATPase-Komplexes. Und diese spezielle Gruppe … diese periphere Verbindungsachse befindet sich links. Und diese Gruppe hier befindet sich rechts. Und diese Gruppe hier ist hinter der Rückseite versteckt. Aus diesen Informationen kann man ein dreidimensionales Modell erstellen. Und man kann … und mit ausreichend hochwertigen Informationen erreicht man atomare Auflösung. Und so funktioniert das: Hier oben sehen Sie die dreidimensionale Ente. Man erfasst unterschiedliche zweidimensionale Ansichten, die man dann in 2D-Fourier transformiert. Und das kann man dann in eine 3D-Fourier-Transformation des Objektes umwandeln. Und dann erfolgt eine Rückumwandlung. Und so hat man die Struktur des Originalbildes aufgeklärt. Wir haben diese Struktur von 2010 bis 2012 in Zusammenarbeit mit einem früheren Studenten, John Rubinstein, der in Toronto ist, auf den ATPase-Komplex angewandt. Und daraus sind diese Aufnahmen mit einer Auflösung von 17 Angström entstanden. Das mag bescheiden klingen, enthält aber in Wirklichkeit eine Menge Informationen. Den mittleren Teil kannten wir natürlich, die Atomstruktur und den grünen Teil unterhalb der Mitte auch. Aber diese blauen Teile hier waren neu. Das waren neue Informationen. Zwar bei bescheidener Auflösung, aber es waren neue Informationen. Und das war unglaublich viel Arbeit. Das hat zwei Jahre gedauert. Dazu musste man 60.000 dieser Partikel manuell aufnehmen und sie in Klassen zusammenführen und diese Struktur auf diese Art und Weise aufklären. Aber jetzt gibt es Fortschritte in der Kryo-Elektronenmikroskopie. Jetzt ist es möglich, atomare Auflösungen von Protein-Komplexen mit über 200 kDa zu ermitteln. Und diese Zahl wird ständig auf noch geringere Molekulargewichte heruntergedrückt. Und die Tatsache, dass … der Unterschied liegt in der Entwicklung neuer Detektoren für Elektronen, mit denen man im Elektronenmikroskop zu tun hat. Sie sind besser geworden. Sie entdecken die Elektronen direkt, während die früher eingesetzten Detektoren die Elektronen indirekt erkannten. Die Elektronen erzeugten Licht und man entdeckte das Licht. Und dies hat zur Folge, dass man inzwischen ein wesentlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis erreicht hat und eine viel schnellere Datenerfassung möglich wurde, sodass man die Bilder in einem Film erfassen kann. Und…Steven Chu hat darauf in seinen Experimenten Bezug genommen, von denen er gestern berichtete. Durch eine derartig schnelle Erfassung der Bilder reduziert man das Problem, das die Bilder so unscharf erscheinen ließ, nämlich den Einfluss der Elektronen auf die Proteinen-Komplexe, der sie in Bewegung setzte. Wenn man die Bilder schnell macht, wird dieser Effekt reduziert. Und natürlich reduziert man die Möglichkeit mechanischer Bewegungen, die aus der Bewegung des Mikroskops selbst stammen. Und gleichzeitig sind, wie üblich, weitere große Verbesserungen in den computergestützten Berechnungsmethoden möglich geworden. Und so haben wir vor einigen Wochen 10.000 Partikel aus einer ATP-Synthase von einem Pilz erfasst. Es handelt sich um einen thermophilen Pilz mit der Bezeichnung Pichia angusta. Und innerhalb von insgesamt nur zwei Wochen konnten wir nach Reinigung des Enzyms, wie links zu sehen, der Erfassung der Bilder, wie in der Mitte zu sehen, dieses Bild mit einer hervorragenden Auflösung computergestützt erstellen. Dafür hätten wir früher zwei Jahre gebraucht. Und wir haben wesentlich mehr Details in dieser Struktur. Das Innere haben wir bisher noch nicht analysiert und interpretiert, weil wir wissen, dass wir durch die Erfassung von noch mehr Partikeln – und das geschieht momentan – das Ganze in einer noch viel höheren Auflösung erhalten. Und das ist eine wirklich aufregende Entwicklung in der Strukturbiologie und das wird unzweifelhaft enorme Auswirkungen haben. Etwas anderes, was wir im Laufe der Jahre gemacht haben, war der Vergleich der mitochondrialen Enzyme, über die fast die gesamte strukturelle Arbeit erfolgt ist, mit bakteriellen Komplexen. Es gibt viel weniger Strukturarbeit zu bakteriellen ATPase-Komplexen. Aber man sieht, dass sie vieles gemein haben. Es gibt einen Kern. Die katalytischen Teile sind sehr ähnlich. Die Rotorringe sind ähnlich. Aber, wie Sie sehen, weisen sie unterschiedliche Zahlen von C-Proteinen im Ring auf. Das ist keine Konstante. Und das hat bedeutende Konsequenzen. Ein A-Protein liefert den Signalweg für Protonen durch die Membran und ist an der Erzeugung der Drehbewegung beteiligt. Und in beiden Fällen gibt es eine periphere Verbindungsachse, deren Zusammensetzung sich aber unterscheidet. Der größte Unterschied ist, dass in den mitochondrialen Enzymen sechs zusätzliche Proteine in der Membrandomäne vorhanden sind, die nichts mit der Bildung von ATP zu tun haben, aber von großer Bedeutung zu sein scheinen. Das werde ich Ihnen am Ende dieses Vortrags erläutern. So wird nach unserer Kenntnis die Rotation erzeugt. Hier ist das A-Protein, für das uns atomare Auflösungsdaten fehlen. Wolfgang Junge hatte die Idee, dass es einen Halbkanal gibt, der den Protonen den Zugang zu einer negativ geladenen Carboxyl-Gruppe ermöglicht. Es gibt in jedem der C-Proteine, die den Ring bilden, ein negativ geladenes Carboxyl. Und in diesem Modell befinden sich 12 C-Proteine im Ring. Und hier ist das Carboxyl negativ geladen. Das Proton tritt über den Halbkanal ein, neutralisiert es, macht es hydrophober und deshalb bewegt sich das neutralisierte Carboxyl einfach durch die Brownsche Bewegung in diese Position und sorgt für eine weitere negative Ladung. Ein weiteres Proton dringt ein und durch dieses schrittweise ablaufende Muster werden die Protonen um den Ring transportiert, bis sie diese hier abgebildete Stelle erreichen, wo die Eigenschaften dieses Teils der Übergangsstelle dafür sorgen, dass das Carboxyl reionisiert, die negative Ladung regeneriert und das Proton auf der anderen Seite der Membran über die andere Kanalhälfte freigesetzt wird. Wenn es in diesem Ring 12 C-Proteine gäbe, die eine 360-Grad-Rotation erzeugen, bräuchte man 12 Protonen. Und da dieser Rotor an der Verbindungsachse befestigt ist, die ich Ihnen bereits zeigte, die blaue Verbindungsachse, die sich im katalytischen Teil dreht, und da der katalytische Teil drei katalytische Stellen umfasst, werden bei jeder Rotorumdrehung hier oben drei ATP-Moleküle erzeugt. Und deshalb würde man in diesem Fall für die Erzeugung eines ATP-Moleküls 12 benötigen. Die Symmetrie des Rings, geteilt durch 3. Das wären 4 Protonen pro ATP. Es ist also diese Ringsymmetrie, geteilt durch 3, die den Aufwand ergibt. Der spielt für die Bioenergetik eine sehr bedeutende und zentrale Rolle, dieser Aufwand für die Erzeugung von ATP-Molekülen. Für alle war es dann eine Riesenüberraschung, als sich herausstellte, dass die unterschiedlichen ATPasen von unterschiedlichen Spezies unterschiedliche Ringsymmetrien aufweisen. Und wir wissen aus unserer Arbeit, dass die ATPasen in Metazoen von Menschen bis hinunter zu Schwämmen, Porifera, Ringe mit 8-facher Symmetrie aufweisen. Hefe hat die 10-fache Symmetrie. Und die Eubakterien, die eubakteriellen Ringe – wie größtenteils in Frankfurt nachgewiesen – haben eine 10- bis 15-fache Symmetrie. Und der Spinat-Chloroplast hat einen ATPase-Komplex mit 14-facher Symmetrie. Und daraus kann man ableiten, dass der Aufwand, also die Anzahl der Protonen pro ATP, in Metazoen bei 2,7 liegt und in Hefe bis zu 3,3 hochgeht und dann bis zu 5 Protonen per ATP in einigen Eubakterien. Was bedeutet das? Wenn man die Strukturen dieser Rotorringe betrachtet … sie sind im selben Maßstab im Querschnitt dargestellt... Dies ist unser menschlicher Ring, der rotiert und 2,7 Protonen für die Herstellung jedes ATP benötigt. Und das hier ist beispielsweise ein Ring, der im Cyanobacterium Synechococcus gefunden wurde. Der hat die 15-fache Symmetrie. Dieser Organismus braucht 5 Protonen für jedes ATP. Er ist also wesentlich ineffizienter als die metazoische Maschine. Und warum hat sich dieser Situation so entwickelt? Wir denken, dass hängt damit zusammen, dass es in den metazoischen Mitochondrien dieses sehr großes Membranpotenzial gibt, minus 200 Millivolt, das diesen Ring antreiben kann, während diese Organismen unter relativ ärmlichen energetischen Umständen leben. Sie erzeugen ein geringeres Membranpotenzial. Und deshalb besteht der Preis, den sie zu zahlen haben, in der Umdrehung eines größeren Rings, um 3 ATP-Moleküle zu bilden. Diese Maschine fährt also in einem niedrigen Gang und diese in einem hohen Gang. Und das hier ist der höchste beobachtete Gang. Ich denke, es ist der höchste Gang, der in der Biologie existiert. Das ist ein Aspekt, in dem sich die ATPasen von Menschen und Bakterien unterscheiden. Und wir wollen das herausfinden, weil der ATPase-Komplex tatsächlich eine sehr gute Target-Struktur für die Entwicklung neuer Antibiotika und neuer Arzneimittel sein dürfte. Alice Zong, eine Studentin von mir, sitzt im Publikum. Sie hat die Enzymstruktur des Mycobacterium Smegmatis aufgeklärt, um neue Medikamente zur Bekämpfung der Tuberkulose entwickeln zu können. Eine weitere Weise, in der sich bakterielle und menschliche Enzyme voneinander unterscheiden, ist die Art ihrer Regulierung. Und ich rede nur über die Regulierung der mitochondrialen Enzyme. Aber zunächst muss ich sagen, dass sicherlich viele Proteine strukturiert sind. Sie haben Alpha-Helices, Beta-Faltblätter usw. Aber es gibt eine weitere Klasse von Proteinen, die in den letzten Jahren in den Vordergrund getreten ist. Und das sind intrinsisch ungeordnete Proteine. Die gibt es. Und die haben keine sekundäre Struktur. Und sie weisen gemeinsame Merkmale auf. Sie sind oft hitzestabil, haben eine große Zahl an Ladungsresten, einige massive Reste. Viele von ihnen sind an Regulierungsmechanismen beteiligt. Und oft binden sie an mehr als einen Partner. Sie können also mehr als eine Struktur bilden, abhängig davon, mit welchem Protein sie interagieren. Und es hat sich herausgestellt, dass die inhibitorische Region des regulierenden Proteins für die ATPase – sie wird als Inhibitor von F1 ATPase, IF1 bezeichnet – intrinsisch ungeordnet ist. Und dieses Protein ist hitzestabil, hat eine riesige Zahl von Ladungsresten. Einige massive Reste. Seine Unordnung ist vorhersagbar und was am wichtigsten ist: Sein kernmagnetisches Resonanzspektrum zeigt, dass es sich in der Tat um ein ungeordnetes Protein handelt. Das war ziemlich überraschend, weil wir einige Jahre vorher eine Struktur des Inhibitor-Proteins aufgeklärt hatten, das im ATPase-Komplex gebunden ist. Das ist der blaue Rotor hier in der Mitte. Und das ist eine Schnittstelle, eine der drei katalytischen Schnittstellen. Und diese Alpha-Helix, die Sie hier sehen, hat sich selbst an dieser Schnittstelle eingefügt und die Maschine gestoppt. Das kann man sich so vorstellen, als wenn man einen Stock zwischen die Speichen eines sich bewegenden Fahrrades hält. Man steckt den Stock herein, die Drehung stoppt. Und genau das passiert mit der ATPase. Und um diesen Inhibitor-Komplex zu bilden, muss man 2 ATP-Moleküle hydrolysieren. Die Theorie war oder ist, dass sich bei einer Anoxie, beispielsweise während einer ischämischen Herzattacke, der Protonengradient aufgrund der einsetzenden Glykolyse auflöst. Dadurch würde das Enzym dann beginnen, rückwärts zu laufen. Es würde das erzeugte ATP zerstören. Aber dieses Protein wird durch einen Mechanismus aktiviert, den ich hier nicht beschreibe, der normalerweise untätig ist und dann eingreift, um die Rückreaktion zu stoppen. Und wenn man den Protonengradienten wiederherstellt, erneut die Bedingungen herstellt, unter denen Sauerstoff vorhanden ist, erfolgt die Drehung in umgekehrter Richtung und wird der Inhibitor entfernt. Und das ist aus Enzymperspektive eine bemerkenswerte Eigenschaft eines unidirektionalen Inhibitors. Er verhindert nur die ATP-Hydrolyse und nicht die Synthese. Gerade ist es uns gelungen, Strukturen aufzuklären, bei denen 3 Inhibitor-Proteine an den Komplex gebunden sind. Wir hatten sehr große Überschüsse an Inhibitoren mit spezifischen Mutationen, die ich nicht beschreiben möchte. Und was wir sehen konnten … wenn man sich also vorstellt, dass das Inhibitor-Protein in freier Lösung vollständig ungeordnet ist, beginnt es, sich über die am weitesten geöffnete dieser drei katalytischen Schnittstellen, über die sogenannte leere E-Schnittstelle an den ATPase-Komplex zu binden. Und dann beginnt sich dieser kleine Kern einer Alpha-Helix zu bilden. Der Rotor dreht um den 120-Grad-Schritt und wird dabei von der Hydrolyse des ersten ATP angetrieben. Die Stelle schließt sich. Und Sie erkennen, dass der Aspekt, auf den wir schauen, dass sich der Rotor verändert hat. Und jetzt kann sich die Helix selbst ausdehnen und eine etwas längere Helix bilden. Und dann erfolgt ein weiterer 120-Grad-Schritt, die Drehung des Rotors, der durch die Hydrolyse des zweiten ATP angetrieben wird. Und jetzt kann der Inhibitor seine Struktur auf die Struktur erweitern, die wir in der Vergangenheit beobachtet hatten. Das ist eine schöne Beobachtung, die für viele unerwartet war - dass man nämlich in der Lage sein würde, sich faltende Zwischenprodukte von intrinsischen Inhibitor-Proteinen beobachten zu können. Und das ist … dieses Papier wurde gestern von der PNAS angenommen. Jetzt möchte ich Ihnen etwas über eine andere extrem wichtige Weise der Entkopplung der ATPase erzählen. Und die erfolgt durch etwas, was als Permeabilitätstransitionspore bezeichnet wird (PTP). Das Phänomen der Permeabilitätstransition ist seit über 30 Jahren bekannt. Es gab aber keine molekulare Erklärung dafür. Lassen Sie mich das erläutern. Also links … links können Sie vergessen. Das ist eine Darstellung der Apoptose, die, wie Sie wissen, zum Zelltod führt. Rechts wird dargestellt, wie man sich die Auslösung einer Nekrose vorstellt, einer anderen Form des Zelltods. Angenommen wird, dass als Reaktion auf verschiedenartige Belastungen Calcium freigesetzt wird. Es könnte reaktiver Sauerstoff sein. Es könnten viele Dinge sein. In diesem Fall wird Sauerstoff … Calcium-Ionen aus dem endoplasmatischen Retikulum ins Cytoplasma freigesetzt. Unter diesen Bedingungen werden die Calcium-Ionen von Proteinen in den Innenmembranen der Mitochondrien in die Matrix der Mitochondrien aufgenommen. Und dieser Einstrom von riesigen Calcium-Mengen hat den Effekt, eine Pore zu eröffnen, die als mitochondriale Permeabilitätstransitionspore bezeichnet wird. Und die wird durch ein Protein reguliert, das Kurt Wüthrich gestern erwähnt hat, Cyclophilin D, an das Cyclosporin A bindet. Cyclosporin A verhindert also tatsächlich die Öffnung dieses Kanals. Und man geht davon aus, dass dieser Kanal, ein sehr großer Kanal, Moleküle von bis zu 1,5 kDa freisetzt. Das schöpft den Inhalt der Mitochondrien-Matrix ab. Wasser strömt ein. Die Mitochondrien schwellen an und zerbersten. Und das löst den Zelltod durch Nekrose aus. Solche Phänomene sind gut untersucht und bekannt. Und die Frage war: Was ist die mitochondriale Permeabilitätstransitionspore? Diese Veröffentlichung ist vor zwei, drei Jahren in der Nature erschienen. Dort wird beschrieben, dass die Permeabilitätstransitionspore aus dem Dimer eines Transportproteins besteht, das als Adenin-Nukleotid-Transporter bezeichnet wird. Seine Funktion besteht darin, das in der Matrix erzeugte ATP zu entfernen und es nach außen zu befördern, um es dem Rest der Zelle zur Verfügung zu stellen und auf dem Rückweg ADP mitzubringen. Nach diesem Modell setzt sich der Kanal aus zwei dieser Proteine und zwei anderen Proteinen in der Außenmembran zusammen, die als spannungsabhängiger Anionenkanal bezeichnet werden. Und das ist total falsch. Denn die Permeabilitätstransitionspore befindet sich tatsächlich innerhalb der Membrandomäne des ATPase-Komplexes. Was wir in den letzten 18 Monaten mithilfe von RNAi in humanen Zellen gemacht haben, ist die Entfernung jedes der Proteine in der peripheren Verbindungsachse, jedes dieser Proteine, die C-Proteine, und dann mit einem anderen Verfahren, auf das ich nicht eingehe, die A-Proteine und auch die Gamma-Proteine. Wir haben die alle nacheinander entfernt und beobachtet, welchen Effekt das auf die Öffnung der Permeabilitätstransitionspore hat. Die Entfernung dieses Proteins hatte keine Wirkung. Dieses hatte keine Wirkung, dieses hatte keine Wirkung, dieses hatte keine Wirkung, keine Wirkung, keine Wirkung. Wichtig aber waren e, f, g DAPIT 6.8 Proteolipid und B. Das sind die so genannten überzähligen Proteine. Jedes von ihnen scheint eine Transmembranhelix zu haben. Wir wissen nicht wirklich, wie viele Kopien von jedem vorhanden sind. Das versuchen wir derzeit festzustellen. Wir wissen nicht, in welche Richtung sie orientiert sind. Ist der N-Terminus nach innen oder nach außen gerichtet? Auf jeden Fall wird, wenn eines von ihnen unterdrückt wird, dieser Permeabilitätsübergang entfernt. Wir wissen aber immer noch nicht genau, was die Pore ausmacht, weil man bei einer Unterdrückung von E auch G aus dem ATPase-Komplex verliert und umgekehrt. Und ähnliche Verbindungen gibt es zwischen diesen beiden Proteinen. Wir können also heute nicht genau sagen, was das ist. Unsere Schlussfolgerungen lauten deshalb, dass diese Proteine beteiligt sind. Und A und C sind nicht beteiligt. Jetzt wollen wir die exakte Struktur dieser Pore bestimmen. Wir wollen Inhibitoren finden, die enormes medizinisches Potenzial enthalten. Und so haben meine Bemühungen um diesen Enzymkomplex seit nunmehr 35 Jahren einige weitere Fragen für Sie als junge Nachwuchswissenschaftler hinterlassen. Wählen Sie Ihr Thema gut. Sie werden auf jeden Fall Durchhaltevermögen benötigen, wenn Sie ein Problem wie dieses lösen wollen. Und natürlich braucht jeder auch etwas Glück. Und dann werden Sie sich vielleicht irgendwann in Stockholm wiederfinden, wie wir 1997. Das sind also Paul Boyer, Jens Skou und ich, die Nobelpreisträger für Chemie. Und wenn Sie genau hinschauen, werden Sie hier an der linken Seite Steven Chu erkennen, der seinen Preis für Physik erhalten hat. Vielen Dank. Applaus

Sir John E. Walker giving his lecture "The Fuel of Life" and elucidating on ATP synthase
(00:17:42 - 00:21:26)

The complete video is available here.

 

The Most Important Chemical Reaction on Earth

Even Nobel Laureates who had received their prize for work in a different field delved into the mysteries of photosynthesis in an attempt to decipher the fundamental process. Otto Warburg, a German biochemist who was awarded the 1931 Nobel Prize in Physiology or Medicine, published research on photosynthesis for fifty years. While best known for his discoveries on respiratory enzymes, Warburg also famously held fast to his outdated concepts of photosynthesis in the face of overwhelming evidence to the contrary [19].

Most notably, he experimentally determined the maximum quantum yield of photosynthesis, or the minimum number of light quanta required to output one molecule of oxygen, to be a value of 3 or 4. One of his former students, Robert Emerson, consistently obtained a value of about 10. Until his death, Warburg stubbornly insisted his finding was correct. Ultimately, additional research into the matter by several other groups favoured Emerson’s result.

Warburg discussed photosynthesis during his lecture at the very first Lindau Nobel Laureate Meeting in 1951, as well as in subsequent meetings in 1954 and 1963. The following is a clip from his second Lindau lecture, which covered the controversial issue of quantum yield — and serves as a lesson to young scientists to listen even to Laureates with a critical ear.

Otto  Warburg (1954) - Experiments on the Chemistry of Photosynthesis (German Presentation)

Good day ladies and gentlemen, Since chlorophyll exposed to light but isolated from the cell is photochemically inactive, the process of photosynthesis is dependent upon enzymes, as respiration and fermentation are. In the following, I would like to acquaint you with some aspects of enzymes involved in photosynthesis. The enzymes of photosynthesis are not understood nearly as well as those involved in respiration and fermentation, but you will see nevertheless that we can say quite a bit about them today. The first slide, please. We shall first examine a process that is the opposite of photosynthesis, a process of respiration, indeed the oxidation of glucose phosphate to pentose phosphate by means of nicotinamide in the equation written here. The reaction was discovered in Berlin-Dahlem shortly after the discovery of the pyridine nucleotide. It takes place in two steps. Firstly, one molecule of nicotinamide oxidises the glucose phosphate to glucose phosphoric acid, then an additional molecule of nicotinamide oxidises the hexonic phosphoric acid to pentose phosphate by splitting off carbonic acid. A specific enzyme is required for both of these steps. In the reaction written down here, the glucose phosphate is therefore oxidised to pentose phosphate by two enzymes whose active group is nicotinamide and that transfer hydrogens. One would think that the complete combustion of glucose then continues similarly, so that pentose phosphate is oxidised to tetrose phosphate, the tetrose phosphate to triose phosphate, and so on. Horecker says, however, that this is not the case and instead that pentose phosphate is divided into smaller fragments by a cleaving enzyme after it has been formed by the oxidation reaction written here, and that the fragments are then condensed again into glucose phosphate, so that the oxidation always only takes place with formations of six carbons. If glucose phosphate has been oxidised six times to pentose phosphate, then the net result is that one molecule of glucose phosphate has been burned. Through this sensible mechanism, organisms manage to complete the oxidation of the six carbon atoms in glucose with two enzymes, while without the regeneration of glucose, six times two = twelve oxidation enzymes would have been necessary. It can also be said of this mechanism that the pentose phosphate formed through oxidation is not arabinose phosphate as one should have expected, but instead is ribulose phosphate, the phosphate of a ketopentose, one which has been very rarely found in nature until now. It can moreover be said that a further, very rare sugar appears as an intermediate product during the recombination of the pentose fragments into the glucose phosphate: the phosphate of sedoheptulose, a ketose with a seven-carbon chain. These rare sugars, ribulose and sedoheptulose, are thus intermediate products of burning glucose through nicotinamide. Now you will ask what these very specialised facts about glucose oxidation have to do at all with photosynthesis. Actually, quite a bit. Because during photosynthesis with radioactive carbonic acid at Calvin's institute in Berkeley, carbon bonds were found sixty seconds after applying light that are none other than the phosphates of ribulose and sedoheptulose. I should add that the enzyme reactions written here also run from right to left in vitro using pure enzymes, if one starts with pentose phosphate and dihydronicotinamide, so there can be no doubt that the reduction of the carbonic acid during photosynthesis is caused by the reverse reaction of the respiration processes written here. Hydrogenated nicotinamide occurs during respiration and is always reoxidised again by the molecular oxygen. Photohydrogenated nicotinamide occurs during photosynthesis and is always reduced again by chlorophyll that has been exposed to light. It is therefore a reduction of carbonic acid by photosynthesis, not just as a net outcome, but rather within the mechanism as well, the reverse reaction of a respiration process, a known respiration process. The identical hydrogen-transfer enzymes are respiration enzymes or photosynthesis enzymes, depending on whether they are supplied with nicotinamide or hydrogenated nicotinamide. It may be that the carbonic acid is reduced during photosynthesis not only through the reaction described here, but also through other reactions. For example, the reverse reaction of decarboxylising malic acid to pyruvic acid, which Ochoa in New York in particular believes. But the principle is always the same. Everyone agrees that it is always the reductive carboxylation of hydrogenated nicotinamide by which the carbonic acid is bound and reduced during photosynthesis. Lights, please. While on one hand the reduction of carbonic acid in photosynthesis is the reverse reaction of a respiration process, the forward reactions of respiration also play an important role in photosynthesis. In the primary reaction of photosynthesis, it is well known that one mole of carbonic acid is absorbed and one mole of oxygen generated when one mole of light quanta are absorbed. But since 112,000 calories are necessary to generate one mole of oxygen from carbonic acid, while the energy from one mole of photos in the red wavelength only amounts to 42,000 calories, nature decided as an alternative that the energy lacking from light quanta, namely the significant amount of two-thirds of the total energy, will be made available to photosynthesis from the chemical energy stored in the cells. That is one solution to the so-called quantum problem in photosynthesis, which many researchers in the natural sciences have worked on since about, that has been going since 1920, which is thirty-five years. None of us had remotely thought about this mechanism, about this alternative. We always wondered how it is possible that three quanta, which are necessary, how they can collaborate, when in reality it is accomplished simply by the cell adding as much chemical energy as the light quanta lack. That is an almost unbelievably simple and brilliant mechanism. And you actually see in this example that organisms are indescribably cleverer than researchers in the natural sciences. Because for thirty years, this idea didn't occur to anyone in the slightest until it was actually observed on a manometer. It was seen on a manometer. When light was applied, there was a pressure of one quantum and as soon as it was dark, two-thirds disappeared again and everything was then thermodynamically balanced. Now the regeneration or the entire mechanism would make no sense of course, if the cells were to add energy and thereby lose it. But as mentioned, it so happens that the cell immediately receives the energy back and indeed receives it through a respiration process in which the cell always receives energy back via the light of photosynthesis, which has quasi been loaned out. Photosynthesis, as it can also be described, is therefore only possible through a continuous consumption and regeneration of chemical energy in the cell, without which the light entering the green cells has no effect. So first respiration - it can also be expressed this way - creates the photosensitivity of the green cells. And that is why the enzymes of respiration also are part of the enzyme chain of photosynthesis. The experiments that prove this have been developed in Dahlem in such a way that they are beyond any doubt. You can imagine that when something like this is discovered, no one believes it at first. It is always like this, as soon as one encounters something new, there is immediate opposition, which is understandable and human. It was thus suggested that the effects are too small, that it only comes from heat. In reality, the situation now is that we get thirty-five cubic mm of oxygen in one minute when we illuminate a sample. Now, if you calculate that the error is perhaps 0.5 cubic mm, then the matter is beyond all experimental doubt. Then you proceed to illuminate the sample so strongly that all of the available cell energy is consumed. Thus you can virtually titrate out the cellular existing energy by illuminating so strongly that all of it is extracted. When that has happened and it is illuminated again, you no longer get a quantum yield of one because of course the cellular energy is now depleted. And then you have to wait. You have to wait approximately ten minutes in the dark, and if you then illuminate the sample again, you get energy again. But if you illuminate the sample during the intervening period, you get less. After two minutes you get perhaps six cubic mm, after ten minutes you get twelve, and so on. So it is evident that the cellular energy is actually recovered during the recuperative process of oxygen consumption. To prove that it is oxygen you can proceed as follows: you illuminate a sample strongly and extract all of the cellular energy that is there. Then you take away the oxygen from the cell. Now you can wait as long as you wish and when you illuminate the sample again, you never get the oxygen production in light again, because the cell does not get its energy back. Similarly, when you introduce oxygen again and illuminate the sample, you get oxygen production again with a quantum yield of one. You can therefore really prove and measure, track how the cell gets its energy back and that in fact without this cellular energy, the entire system of the green cells does not react to light at all. That the photosensitivity of the green cells is actually created initially by respiration makes photosynthesis different from all other photochemical reactions of the inanimate world. As I began with, that chlorophyll isolated from the cell is photochemically inactive, we can now add that chlorophyll found within the living green cell is also photochemically inactive if one single substance among all of the substances of the cell is missing, namely the substance that is the vehicle of the auxiliary chemical energy. Its chemical nature remains unknown. The only thing certain is that it is not adenosine triphosphate, as has sometimes been assumed in chemical literature of late. Because the amounts of maximum energy that you can titrate out of the cell and that can be made available by the cell are so large that if you were to identify and assume it was phosphorus, that all of the phosphorus is bound in adenosine triphosphate, then you would still not have explained even one-third of the auxiliary energy that is actually made available, measured by the oxygen coming from the cell. So, first we have had the bonding, the reduction of carbonic acid as a reverse reaction of a respiration process, then here we have the forward reaction of respiration, without which photosynthesis is impossible. That makes two occurrences of respiration enzymes, simultaneously photosynthesis enzymes. A third matter, which is only - that I still will report on briefly to you now - only exists in photosynthesis. I must first make a remark about the pigments of the green cells and their photoabsorption. All green cells contain, besides the chlorophyll, yellow pigments, the carotenoids. While chlorophyll absorbs over the entire visible spectrum, the yellow pigments absorb only in the short-wavelength portion of the visible spectrum, and indeed most strongly in blue-green, that is near the blue-green cadmium lines. If you illuminate green cells with blue-green, approximately half the light will be absorbed by the chlorophyll and the other half of the light by the yellow pigments. While in red, only the chlorophyll absorbs and the yellow pigments not at all. Depending therefore on whether you shine red or blue-green light on the green cells, the yellow pigments can share in up to fifty percent of the absorption or not at all. Our experiments associated with these effects assumed then that the yield of chemical energy in photosynthesis by Chlorellas was generally better in summer than in winter. Now our Chlorellas are always raised under incandescent light, in summer as well as winter, but in a south-facing window so that the cells also have always received daylight besides the incandescent light when grown. Daylight is known in medium-short wavelengths like incandescent light, and contains much more blue-green light than incandescent light. We therefore wondered whether it would not perhaps be appropriate during measurements of the photosynthetic yields to augment light in the red region or the monochromatic green with short-wavelength light and so possibly improve the yields of the winter cells. In fact we found that the yields rose when we augmented red or green monochromatic light with shorter wavelength light. The most effective was blue-green. Out of these observations - please, next, next slide - grew the present-day experimental procedure for measuring the yield of photosynthesis. In this experiment, for example, which is a typical experiment with winter cells, Chlorellas are continuously irradiated with very high intensity red light. This experiment lasts about seven hours for example. Then light, which is blue-green in colour, alternately augments it and the experiment is continued again. Now this is very important for the experimental procedure, because it greatly simplifies the interpretation: the blue-green light that acts is energetically almost equal to zero compared to the red light, whose energy turnover you measure. The blue-green light that you apply is active yet cannot participate in the oxygen production, but instead only can act catalytically. Now, if you look at the illustration, there is one more thing to say: In general, you express the quantitative results of photosynthesis measurements using the so-called quantum requirement that is 1 divided by phi and means the mole of quanta absorbed divided by the mole of oxygen produced. The quantum requirement thus becomes larger, the worse the yield is. I want to address you one more time about this, because this experiment, how it was run, and want to tell you about the energy yield for it, converted. After two hours, you have to imagine, the cells come out of the dark, after two hours of blue-green, the quantum requirement is 4.4, which corresponds to a 60% chemical energy yield. Then the blue-green exposure is taken away. And almost immediately, the quantum requirement rises to infinity. That means there is absolutely no oxygen produced any longer and the chemical energy gain is zero. Then we apply blue-green light again. The quantum requirement falls to 3.6, which means that the yield of chemical energy climbs to about 75%. We then take the blue-green away again and the quantum requirement rises to 17, which means that the yield of chemical energy falls to 16%. We then add the blue-green again and the quantum requirement falls to 3.2, that means the yield of chemical energy rises to 83%. The blue-green is taken away again and the quantum requirement rises immediately to 12, that means the yield of chemical energy falls to 22%. All together, the yield of chemical energy in the experiment in the absence of blue-green light has therefore been very poor and in the presence of blue-green very good. If you wanted to, which we have not done, add in the respired oxygen to the oxygen produced by the light, the quantum requirement in the last two blue-green periods would be 2.85 on average, which corresponds to a 93% chemical energy yield. Now, the explanation. Blue-green light, as already mentioned, is strongly absorbed by the carotenoids. We also know that the carotenoids sustain a cis-trans rearrangement through illumination. We also know about them that the cis-trans rearrangements are exploited by organisms, rhodopsin is in fact a carotenoid according to the investigations by George Wald, and the effect of light upon rhodopsin is based on the cis-trans rearrangements of the visual carotenoids - or the visual carotenoid. Since, from the experiments written down here, a small amount of blue-green light creates large energy turnovers in Chlorellas, it can be concluded that a carotenoid isomer that forms in light is the active group of an energy conversion enzyme. This carotenoid isomer may be more stable in summer cells than in winter cells. And so it might be that the influence of the blue-green light in experiments has been discovered with winter cells. We always add blue-green light now and almost always find a significant improvement from the blue-green in the summer cells as well, but not as strong as in winter. I believe that this discovery will acquire a similar significance for the chemistry of photosynthetic enzymes as did the discovery of carbon monoxide and effects of light for the chemistry of respiration enzymes years ago. In any case, blue-green light is already beginning to explain the hitherto-unknown function of carotenoids in photosynthesis. To summarise, today we are able to write down the equation of the enzyme reaction by which carbonic acid is reduced in photosynthesis. Equations such as these - and the fourth slide, once again the third. So you see here two equations that contain the following facts: firstly, the nicotinamide, dihydronicotinamide, as a catalyst for the reduction of carbonic acid; secondly, dihydrocarotene and carotene as accounting for the experiments with blue-green light. Thus, both of these facts are accommodated in these equations. But these equations are surely wrong, because they would be ignoring the most important result of all the photosynthesis experiments, the quantum yield of 1 for the primary reaction of photosynthesis. In this equation here you have 4, which cannot therefore be correct. In the equations of photosynthesis, the energy conversion of photosynthesis, the unknown substance belongs, that initially facilitates the activity of the low-energy quanta of visible light in the cycle of breakdown and regeneration. And with that, I have discussed roughly everything that we can say about the enzymes of photosynthesis at present.

Meine Damen und Herren, da belichtetes, von der Zelle abgetrenntes Chlorophyll photochemisch unwirksam ist, so ist die Photosynthese wie die Atmung und die Gärung ein Fermentproblem. Ich möchte Ihnen im Folgenden einiges über die Fermente der Photosynthese mitteilen. Die Fermente der Photosynthese sind durchaus noch nicht so weit wie die Atmungs- oder Gärungsfermente, aber immerhin werden Sie sehen, dass man Einiges heute schon sagen kann. Das erste Bild, bitte. Wir betrachten zunächst einen der Photosynthese entgegengesetzten Vorgang, einen Atmungsvorgang, und zwar die Oxidation von Glukosephosphat zu Pentosephosphat durch Nikotinsäureamid nach der hier angeschriebenen Gleichung. Die Reaktion ist in Dahlem kurz nach der Entdeckung der Pyridin-Nukleotide gefunden worden. Sie verläuft in zwei Schritten. Zunächst oxidiert ein Molekül Nikotinsäureamid das Glucosephosphat zu Glucosesäurephosphat, dann oxidiert ein weiteres Molekül Nikotinsäureamid, das Hexonsäurephosphat unter Abspaltung von Kohlensäure zu Pentosephosphat. Für jeden der beiden Schritte ist ein spezifisches Fermentprotein erforderlich. In der angeschriebenen Reaktion wird also Glukosephosphat durch zwei wasserstoffübertragende Fermente, deren Wirkungsgruppe Nikotinsäureamid ist, zu Pentosephosphat oxidieren. Man sollte denken, dass die vollständige Verbrennung der Glucose sich dann weiterhin so vollzieht, dass das Pentosephosphat zu Tetrosephosphat, das Tetrosephosphat zu Triosephosphat usw. oxidiert wird. Horecker sagt jedoch, dass das nicht der Fall ist, sondern dass das Pentosephosphat, nachdem es sich durch die angeschriebene Oxidation gebildet hat, durch ein spaltendes Ferment in kleinere Bruchstücke aufgeteilt wird und dass die Bruchstücke dann wieder zu Glukosephosphat kondensiert werden, sodass sich die Oxidation immer nur an den sechs Kohlenstoffkörpern abspielt. Ist dabei Glukosephosphat sechs Mal zu Pentosephosphat oxidiert worden, so ist in der Bilanz ein Molekül Glukosephosphat verbrannt worden. Durch diesen sinnvollen Mechanismus erreicht es die lebende Natur, dass sie bei der Verbrennung der sechs Kohlenstoffatome der Glukose mit zwei Oxidationsfermenten auskommt, während ohne die Rückbildung der Glukose sechs Mal zwei = zwölf Oxidationsfermente notwendig gewesen wären. Von diesem Mechanismus ist ferner zu sagen, dass das Pentosephosphat, das durch die Oxidation entsteht, nicht etwa Arabinosephosphat ist, wie man hätte erwarten sollen, sondern es ist Ribulosephosphat, das Phosphat einer Ketopentose, einer Ketopentose, die bisher in der Natur sehr selten gefunden worden ist. Und es ist ferner zu sagen, dass bei der Rekombination der Pentosebruchstücke zu dem Glukosephosphat als Zwischenprodukt ein weiterer, sehr seltener Zucker auftritt. Das Phosphat der Sedoheptulose, einer Ketose der 7-Kohlenstoff-Reihe. Diese seltenen Zucker Ribulose und Sedoheptulose sind also Zwischenprodukte der Glukoseverbrennung durch Nikotinsäureamid. Nun werden Sie fragen, was diese sehr speziellen Tatsachen der Glukoseverbrennung mit der Photosynthese überhaupt zu tun haben. Nun, sehr viel. Denn bei Photosynthesen mit radioaktiver Kohlensäure ist in Calvin’s Institut in Berkeley gefunden worden, dass sechzig Sekunden nach Einsetzen der Belichtung radioaktive Kohlenstoffverbindungen gefunden werden, die nichts anderes sind als die Phosphate der Ribulose und der Sedoheptulose. Fügt man noch hinzu, dass die hier angeschriebene Fermentreaktion in vitro mit reinen Fermenten auch von rechts nach links verläuft, wenn man von Pentosephosphat und Dihydronikotinsäureamid ausgeht, so kann kein Zweifel sein, dass die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese durch die Rückreaktion des hier angeschriebenen Atmungsvorgangs bewirkt wird. Bei der Atmung entsteht das hydrierte Nikotinsäureamid und wird immer durch den molekularen Sauerstoff wieder reoxidiert. Bei der Photosynthese entsteht das lichthydrierte Nikotinsäureamid und wird immer wieder durch das belichtete Chlorophyll reduziert. Es ist also die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese, nicht nur in der Bilanz, sondern auch in ihrem Mechanismus, die Rückreaktion eines Atmungsvorgangs, eines bekannten Atmungsvorgangs. Dieselben wasserstoffübertragenden Fermente sind Atmungsfermente oder Photosynthesefermente, je nachdem man ihnen Nikotinsäureamid oder hydriertes Nikotinsäureamid zuführt. Es mag sein, dass die Kohlensäure bei der Photosynthese nicht nur durch die hier angeschriebene Reaktion, sondern auch durch andere Reaktionen reduziert wird. Zum Beispiel durch die Rückreaktion der Decarboxylierung der Äpfelsäure zu Brenztraubensäure, an die insbesondere Ochoa in New York denkt. Aber das Prinzip ist immer das gleiche. Alle sind sich einig darüber, dass es immer die reduktive Carboxylierung durch hydriertes Nikotinsäureamid ist, durch die die Kohlensäure bei der Photosynthese gebunden und reduziert wird. Während nun die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese die Rückreaktion eines Atmungsvorgangs ist, spielen andererseits auch Hinreaktionen der Atmung bei der Photosynthese eine wichtige Rolle. Bekanntlich wird bei der Primärreaktion der Photosynthese, wenn ein Mol Lichtquanten absorbiert werden, ein Mol Kohlensäure aufgenommen und ein Mol Sauerstoff entwickelt. Da aber für die Entwicklung von ein Mol Sauerstoff aus Kohlensäure 112.000 Kalorien notwendig sind, während die Energie von ein Mol Quanten im Rot nur 42.000 Kalorien beträgt, so hat die Natur den Ausweg gewählt, dass die den Lichtquanten fehlende Energie, also der große Betrag von zwei Drittel der Gesamtenergie, aus dem chemischen Energievorrat der Zelle der Photosynthese zur Verfügung gestellt wird. Das ist eine Lösung des so genannten Quantenproblems der Photosynthese, an die die vielen Naturforscher, die darüber gearbeitet haben seit etwa, das geht jetzt seit 1920, also fünfunddreißig Jahre. Keiner von uns hat auch nur im Entferntesten an diesen Mechanismus gedacht, an diese Möglichkeit. Man hat sich immer gefragt, wie es möglich ist, dass durch drei Quanten, die nötig sind, wie die zusammenwirken können und in Wirklichkeit wird es einfach so gemacht, dass die Zelle so viel chemische Energie dazu legt als den Lichtquanten fehlt. Das ist ein geradezu unglaublich einfacher und geistreicher Mechanismus. Und man sieht eigentlich daran, dass die lebende Natur unbeschreiblich viel klüger ist als es die Naturforscher sind. Denn tatsächlich ist dreißig Jahre lang kein Mensch auch nur im Geringsten auf diese Idee gekommen, bis man es schließlich am Manometer gesehen hat. Man hat es am Manometer gesehen. Wenn man belichtet, dann gibt es einen Druck von einem Quantum und sowie man Dunkel macht, dann verschwinden wieder zwei Drittel und dann ist thermodynamisch alles in Ordnung. Nun die Rückbildung oder der ganze Mechanismus hätte ja keinen Sinn, wenn die Zelle Energie zusetzen und dabei verlieren würde. Es ist aber, wie gesagt, so eingerichtet, dass die Zelle die Energie sofort zurück bekommt, und zwar bekommt sie die durch einen Atmungsvorgang zurück, bei dem die Zelle immer im Licht der Photosynthese gewissermaßen geliehene Energie zurück erhält. Photosynthese, so kann man es auch ausdrücken, ist also nur möglich durch einen fortgesetzten Verbrauch und Wiederaufbau von chemischer Zellenergie, ohne die das Licht in den grünen Zellen nicht wirken kann. Erst die Atmung also, so kann man es auch ausdrücken, erzeugt die Lichtempfindlichkeit der grünen Zellen. Und deshalb gehören die Fermente der Atmung auch zur Fermentkette der Photosynthese. Die Experimente, die dies beweisen, sind in der letzten Zeit in Dahlem so ausgebaut worden, dass sie über jeden Zweifel erhaben sind. Sie können sich denken, dass, wenn so etwas gefunden wird, es zunächst kein Mensch glaubt. Es ist immer so, sowie man irgendetwas Neuem kommt, ist sofort ein Widerstand, menschlich verständlicher Widerstand. Es wurde also gesagt, die Ausschläge sind zu klein, es kommt nur von Wärme. In Wirklichkeit liegt es jetzt so, dass wir, wenn wir belichten, in der einen Minute 35 mm³ Sauerstoff bekommen. Wenn man nun rechnet, dass vielleicht der Fehler 0,5 mm³ ist, dann ist also die Sache über jeden experimentellen Zweifel erhaben. Nun macht man es so, man belichtet so stark, dass die gesamte verfügbare Zellenergie verbraucht wird. Also man kann gewissermaßen die vorhandene Zellenergie titrieren, in dem man so stark belichtet, dass man alles rausholt. Wenn das passiert ist und man will es wieder belichten, dann bekommt man keine Ein-Quanten-Ausbeute mehr, weil ja jetzt die Zellenergie verbraucht ist. Und dann muss man warten. Man muss ungefähr zehn Minuten im Dunklen warten und wenn man dann wieder belichtet, bekommt man es wieder. Wenn man aber in der Zwischenzeit belichtet, dann bekommt man weniger. Vielleicht nach zwei Minuten bekommt man 6 mm³, nach zehn Minuten bekommt man 12 usw. Es geht also daraus hervor, dass durch den Erholungsvorgang der Sauerstoffverbrauch, die Zellenergie tatsächlich zurück gewonnen wird. Dass es der Sauerstoff ist, können Sie so beweisen: Sie belichten stark und holen die ganze Zellenergie heraus, die drin ist. Dann nehmen Sie der Zelle den Sauerstoff weg. Jetzt können Sie so lange warten, wie Sie wollen und wenn Sie wieder belichten, bekommen Sie niemals wieder Sauerstoffentwicklung im Licht, weil die Zelle ihre Energie nicht zurückbekommen hat. Sowie Sie dann wieder Sauerstoff einleiten und belichten, dann bekommen Sie wieder die Sauerstoffentwicklung mit der Quantenausbeute 1. Sie können also wirklich beweisen und messen, verfolgen, wie die Zelle ihre Energie bekommt und dass tatsächlich ohne diese Zellenergie das ganze System der grünen Zellen auf Licht gar nicht reagieren wird. Dadurch, dass die Lichtempfindlichkeit der grünen Zellen durch die Atmung tatsächlich erst erzeugt wird, unterscheidet sich die Photosynthese von allen photochemischen Reaktionen der unbelebten Welt. Wenn ich damit begann, dass Chlorophyll, das von der Zelle getrennt ist, photochemisch unwirksam ist, so können wir jetzt hinzufügen, dass auch Chlorophyll, das in der lebenden grünen Zelle gefunden ist, photochemisch unwirksam ist, wenn von allen Substanzen der Zelle eine einzige fehlt, nämlich diejenige Substanz, die der Träger der chemischen Hilfsenergie ist. Ihre chemische Natur ist unbekannt. Sicher ist nur, dass es nicht Adenosintriphosphat ist, wie man in der letzten Zeit von chemischer Seite manchmal angenommen hat. Denn die Beträge an Höchstenergie, die man aus der Zelle titrieren kann und die die Zelle zur Verfügung stellen kann, sind so groß, dass, wenn man den Phosphor bestimmt und annehmen würde, der ganze Phosphor ist in Adenosintriphosphat gebunden, dann würde man noch nicht den dritten Teil der Hilfsenergie erklärt haben, der wirklich zur Verfügung gestellt wird, dadurch dass man den Sauerstoff misst, der aus der Zelle herauskommt. Also, wir haben zuerst die Bindung, die Reduktion der Kohlensäure als Rückreaktion eines Atmungsvorgangs gehabt, dann haben wir hier die Hinreaktion der Atmung, ohne die die Photosynthese nicht möglich ist. Das sind schon zweimal Atmungsfermente und gleichzeitig Photosynthesefermente. Eine dritte Sache, über die ich Ihnen jetzt noch kurz berichten will, die gibt es nur bei der Photosynthese. Ich muss da mal eine Bemerkung über die Farbstoffe der grünen Zellen und ihre Lichtabsorption vorausschicken. Alle grünen Zellen enthalten neben dem Chlorophyll gelbe Farbstoffe, die Carotinoide. Während das Chlorophyll im ganzen sichtbaren Spektralgebiet absorbiert, absorbieren die gelben Farbstoffe nur den kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektrums, und zwar am stärksten im Blau-Grünen, also etwa im Licht der blau-grünen Kadmium-Linien. Belichtet man grüne Zellen mit blau-grün, so wird etwa die Hälfte des Lichts von dem Chlorophyll und die andere Hälfte des Lichts von den gelben Farbstoffen absorbiert. Während im Rot ausschließlich das Chlorophyll und gar nicht die gelben Farbstoffe absorbieren. Je nachdem man also grüne Zellen mit rotem oder mit blau-grünem Licht bestrahlt, hat man die Möglichkeit, die gelben Farbstoffe zu fünfzig Prozent an der Absorption zu beteiligen oder die gelben Farbstoffe gar nicht zu beteiligen. Unsere, mit diesen Erscheinungen zusammenhängenden Versuche gingen nun davon aus, dass wir die Ausbeute an chemischer Energie bei der Photosynthese der Chlorella im Sommer im Allgemeinen besser fanden als im Winter. Nun wird Chlorella bei uns immer, im Sommer wie im Winter, im elektrischen Metallfadenlicht gezüchtet, aber an einem Südfenster, so dass die Zellen bei ihrer Zucht außer dem Metallfadenlicht auch immer Tageslicht erhalten haben. Tageslicht ist nun bekanntlich im Mittel kurzwelliger als Metallfadenlicht und enthält vielmehr blau-grün als Metallfadenlicht. Wir fragten uns deshalb, ob es nicht vielleicht zweckmäßig wäre, bei den Messungen der Ausbeuten der Photosynthese zum Beispiel im Rot oder im monochromatischen Grün kurzwelligeres Licht zuzusetzen und so möglicherweise die Ausbeuten der Winterzellen zu verbessern. Tatsächlich fanden wir, dass die Ausbeuten stiegen, wenn wir zu rotem oder grünem monochromatischem Licht kurzwelligeres Licht zusetzten. Am wirksamsten war blau-grün. Aus diesen Beobachtungen – bitte das zweite Bild – entwickelte sich die heutige Versuchsanordnung zur Messung der Ausbeute bei der Photosynthese. Bei diesem Versuch zum Beispiel, der also ein typischer Versuch von Winterzellen ist, wird Chlorella dauernd mit einer sehr starken Intensität von Rot bestrahlt. Dieser Versuch dauert zum Beispiel etwa sieben Stunden. Dann wird abwechselnd dabei Licht, blau-grünes Licht, zugesetzt und wieder fortgenommen. Nun ist für die Versuchsanordnung sehr wesentlich, weil es die Deutung sehr vereinfacht: Das blau-grüne Licht, was wirkt, ist energetisch fast gleich Null gegen das rote Licht, dessen Energieumsatz man misst. Das blau-grüne Licht, was man zusetzt, kann sich also an der Sauerstoffentwicklung nicht beteiligen, sondern kann nur katalytisch wirken. Nun, wenn Sie das Bild betrachten, so ist noch eines zu sagen: Im Allgemeinen drückt man die quantitativen Ergebnisse der Photosynthesenmessung durch den so genannten Quantenbedarf aus, das ist 1 durch Phi und bedeutet, die Mole Quanten absorbiert, dividiert durch Mole Sauerstoff entwickelt. Der Quantenbedarf ist also umso größer je schlechter die Ausbeute ist. Ich will Ihnen das noch einmal vorlesen, weil dieser Versuch, wie der gelaufen ist und will Ihnen die Energieausbeute dazu sagen, umgerechnet. Nach zwei Stunden, Sie müssen sich vorstellen, die Zellen kommen aus dem Dunkeln, nach zwei Stunden Blau-Grün ist der Quantenbedarf 4,4, das entspricht einer Ausbeute an chemischer Energie von 60 %. Dann wird das Blau-Grün fortgenommen. Und fast sofort steigt der Quantenbedarf auf unendlich. Das heißt, es wird überhaupt kein Sauerstoff mehr entwickelt und der Gewinn an chemischer Energie ist Null. Dann setzen wir wieder Blau-Grün zu. Der Quantenbedarf sinkt auf 3,6, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie steigt auf 75 %. Wir nehmen dann das Blau-Grün wieder fort, der Quantenbedarf steigt auf 17, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie sinkt auf 16 %. Dann wird wieder Blau-Grün zugegeben und der Quantenbedarf sinkt auf 3,2, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie steigt auf 83 %. Das Blau-Grün wird wieder fortgenommen und der Quantenbedarf steigt alsbald auf 12, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie sinkt auf 22 %. Im Ganzen ist also bei dem Versuch die Ausbeute an chemischer Energie bei Abwesenheit von Blau-Grün sehr schlecht und bei Gegenwart von Blau-Grün sehr gut gewesen. Würde man, was wir nicht getan haben, den veratmeten Sauerstoff zu dem durch das Licht entwickelten Sauerstoff hinzu addieren, so wäre der Quantenbedarf in den beiden letzten Blau-Grün-Perioden im Mittel 2,85, das entspricht 93 % Ausbeute an chemischer Energie. Nun zur Erklärung. Blau-grünes Licht wird, wie bereits erwähnt, von den Carotinoiden stark absorbiert. Von den Carotinoiden weiß man ferner, dass sie durch Belichtung Cis-Trans-Umlagerung erleiden. Man weiß ferner von ihnen, dass diese Cis-Trans-Umlagerungen von der lebenden Natur ausgenutzt werden, ist doch der Sehpurpur nach den Untersuchungen von George Wald ein Carotinoid und beruht die Wirkung des Lichts auf den Sehpurpur auf Cis-Trans-Umlagerungen der Sehcarotinoide- oder des Sehcarotinoids. Da nun bei den hier angeschriebenen Versuchen wenig blau-grünes Licht große Energieumsätze in Chlorella erzeugt, so ist zu schließen, dass ein im Licht entstehendes Carotinoidisomeres die Wirkungsgruppe eines Ferments der Energieumwandlung ist. Dieses Carotinoidisomer mag in Sommerzellen stabiler sein als in Winterzellen. Und so mag es kommen, dass der Einfluss des blau-grünen Lichts bei Versuchen mit Winterzellen entdeckt worden ist. Wir setzen jetzt immer Blau-Grün zu und finden auch bei den Sommerzellen fast immer dort eine wesentliche Verbesserung durch Blau-Grün, aber nicht so stark wie im Winter. Ich glaube, dass diese Entdeckung für die Fermentchemie der Photosynthese eine ähnliche Bedeutung gewinnen wird wie vor Jahren die Entdeckung der Poloxid- und Lichtwirkung für die Fermentchemie der Atmung. Jedenfalls ist das blau-grüne Licht bereits im Begriff, die bisher unbekannte Funktion der Carotinoide bei der Photosynthese zu erklären. Fasse ich zusammen, so können wir heute die Gleichung der Fermentreaktion hinschreiben, durch die die Kohlensäure bei der Photosynthese reduziert wird. Bitte das dritte Bild. Aber wir können noch nicht die Gleichung der Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie hinschreiben. Gleichungen wie diese – und das vierte Bild, noch mal das Dritte. Also Sie sehen hier zwei Gleichungen, die von den Tatsachen enthalten: Erstens, das Nikotinsäureamid, Dihydronikotinsäureamid, als Katalysator der Reduktion der Kohlensäure. Zweitens, Dihydrocarotin und Carotin als, indem wir Rechnung tragen den Versuchen mit blau-grünem Licht. Also diese beiden Tatsachen sind in diesen Gleichungen verarbeitet. Aber diese Gleichungen sind sicherlich falsch, weil sie das wichtigste Ergebnis aller Experimente über Photosynthese ignorieren würden, die Quantenausbeute 1 bei der Primärreaktion der Photosynthese. Bei dieser Gleichung hier haben sie 4, das kann also nicht stimmen. In die Gleichungen der Photosynthese, der Energieumwandlung der Photosynthese gehört die unbekannte Substanz hinein, die im Kreislauf von Zerfall und Wiederaufbau die Wirkung der energiearmen Quanten des sichtbaren Lichts erst ermöglicht. Damit habe ich Ihnen ungefähr alles mitgeteilt, was man zur Zeit über Photosyntheseferment sagen kann.

Otto Warburg delivering his lecture "Experiments on the Chemistry of Photosynthesis" in German. For none-German speaking persons: please turn on the subtitles using the speech bubble at the lower right corner.
(00:07:30 - 00:09:54)

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Both James Franck (Physics, 1925) and George Porter (Chemistry, 1967) also dabbled in photosynthesis. Franck spent most of his time and energy on constructing an overall theory of photosynthesis consistent with major observations [20]. However, his theories turned out to be inconsistent with experiments or later empirical results. Porter used ultrashort pulses of light to investigate the first few femtoseconds of the process[21], and also studied what he called in vitro photosynthesis, or systems which imitate parts of the natural photosynthetic process. He felt that mimicking the reaction in the lab could elucidate unknown parts of the process, as well as provide a sustainable energy resource to replace fossil fuels.

Now that the complex mechanisms of photosynthesis have been elucidated, what is next for scientific research in this field? Artificial photosynthesis, which encompasses technology that stores the sun’s energy in chemical bonds, is an area of highly active research. The field looks to natural photosynthesis for inspiration as it attempts to find a more sustainable way to store and distribute energy. The most popular approach is using photocatalytic water splitting to convert water into hydrogen as a solar fuel and oxygen[22].

In addition, there is considerable interest in manipulating the process to solve the world's environmental issues, such as climate change and food scarcity. If the efficiency of plant photosynthesis were pushed far beyond the current five percent sunlight-to-biomass energy conversion rate [23], crops could more easily feed a growing world population, and carbon dioxide concentrations in the atmosphere could decrease. Researchers are currently testing out genetic engineering and more aggressive techniques of synthetic biology to improve upon inefficiencies in the natural process. For instance, scientists working on the Realising Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) project, an international consortium based at the University of Illinois at Urbana-Champaign, demonstrated in 2016 that increasing the expression levels of three genes involved in processing light improved tobacco crop productivity by 15 percent[24].

In his 2012 Lindau lecture, Michel describes three potential approaches to increasing the conversion efficiency of photosynthesis – but notes that water availability will be a crucial factor since it is a limiting factor in biomass yield.

Hartmut Michel (2012) - Photosynthesis, Biomass, Biofuels: Conversion Efficiencies and Consequences

Thank you very much for giving me the opportunity and, of course, you're all aware that we had 2 very controversial talks. And I also would like to make one or the other comment on the controversies. I work actually at the Max Planck Institute of Biophysics. And our institute works on membrane proteins. And membrane proteins is a point which is catalysed by, photosynthesis catalysed membrane proteins, mainly. And so it’s made up in photosynthesis. Importance of membrane proteins is seen here, there’s a text book figure, everything you see is membranes. And there are many important roles of the proteins in it. And for instance the catalyse transfer flow of, transport of substances across membranes are involved in biological electron transfer, that’s mainly for the synthesis in cellular respiration. And also signal receptors. Very important for medicine and also some membrane proteins are enzymes, preferentially for hydrophobic substrates. So primarily what we work at the present is respiration but the whole thing is too complicated. So I deal with easier things and give you more or less synthesis. You have seen already that the controversial discussion and so I will not rely on and go into that. And you also see that carbon dioxide concentration has increased and I think the warming as well as the increase in carbon dioxide concentrations are facts and cannot be disputed. I also should say it’s my personal experience in more than 60 years of life that it got warmer. I used to be a gardener as a child, taking care of the garden of my father, now I’m taking care of my own garden. I know when the first temperature below zero degrees used to be that was 15th of October and when you waited over 15th of October, when you waited until you had ice in your barrels, this happened in middle of November. But nowadays you have the first frost much later. And you don’t get ice before December in your barrels. So my personal experience tells me that there is some warming, but its local warming, not a global warming. But from that I am convinced that warming exists. We also have seen this temperature and Co2 concentration in the Vostok ice cores in the Antarctica, that’s the correlation. But it's true as the previous speaker said that actually it is the temperature rise. The temperature is before the rise in Co2 concentration. And this is, I would think it’s a problem for the climatologists. And the reason for that is that, the reason for this, I come to that later. And temperature rise precedes the rise in carbon dioxide concentration. That cannot be disputed. And the reason is that the temperature rise stimulates the activity of the biomass degrading aerobic bacteria. And this leads to carbon dioxide production more than it helps to increase the photosynthetic carbon dioxide fixation. That is truly a fact. Of course, this correlation and the increase of carbon dioxide concentration by fossil fuel as well as theoretical consideration led to the assumption that the increase in carbon dioxide and other green house gases, mainly methane, of course apart from water, causes the observed temperature rise which I do not dispute. The evidence that global warming is caused by green house gases is calculations, simulations and this is based on the infrared radiation transfer theory. And a person becoming very popular in that work field was Svante Arrhenius. His work was in 1896. He got a Nobel Prize in 1903. And for me the best evidence that green house gases actually cause global warming is the cooling of the troposphere which none of the previous speakers mentioned. There is a higher part of the atmosphere that is cooling down and this can be easily explained. It receives less infrared radiation from the surface on the earth. So this would be... For me this is the best piece of evidence that there is indeed global warming. But that’s the only piece of experiential evidence which I accept. What I really miss is, apart from the calculations, from the simulation, is that somebody fills a very long tube, evacuated with mirrors, puts in a source of infrared radiation and measures at the end how much infrared radiation comes up at the end. And if you come up then with a 2 watt per square meters, I would be completely happy. But I’m wondering why nobody does this pretty simple experiment. Now to...the major point is: Fossil fuels -that’s coal, petroleum, natural gas- are derived from photosynthesis. And in photosynthesis plants fix carbon dioxide from the atmospheres. And the question now is: Can plants be used to produce bio fuels and to solve the energy problem of mankind and reduce thus also global warming? Start off with a leaf, that's the primary site of photosynthesis. Of land plants and I start up with some few basic facts. Photosynthesis is mainly composed of 2 classes of reactions, one are the light reactions. That is: the absorption of light leads to the creation of chemical energy. That is redox energy. You can also call it also fixed hydrogen. And you release oxygen as a side product. So it was a waste product and this was the biggest change in the world was the invention of the oxygenic photosynthesis. And this was a catastrophe in earth and more than 90% of all organisms died when this was invented by nature about 3 billion years ago. Dark reactions, you have the redox energy there and you use that to take out the carbon dioxide from the air and convert it and fix it as sugar. So that’s a picture of that. You have the light reaction, water comes in, you release oxygen, you produce ATP, the universal energy currency in biology. And you produce NADPH and the other products are the oxidised substrate and the hydrolysed ATP. Then you come to the Kelvin cycle, there you fix carbon dioxide and the result of that will be the sugar. The absorption of light occurs by chlorophylls and by carotenoids. The chlorophylls are here the green molecules and the carotenes are the yellow molecules and they are light harvesting antennae. And then, as the next step is the transfer of the energy of the absorbed photon in a radiationless process to the photosynthetic reaction centre. There the charge separation takes place and you get a transport of electrons across a photosynthetic membrane. You reduce the electron receptor and you create an electric voltage across the membrane. That’s the machinery. We determined that structure in 1986 and that was, the result was the Nobel Prize in 1988. So here you have the primary electron donor that gets excited and you get transfer of an electron across the membrane. People now have learned to do the same work with plant systems. And you see here, this is a picture of the photo system 1 of the green plant, it’s very complicated. There are 100’s of chlorophylls, molecules, many, many proteins but we can determine the structure. We can find out the position of each non hydrogen atom in that huge complexes. Which is really I think a remarkable achievement. The electron flow in the photosynthetic membranes of chloroplasts and also cyanobacteria is seen here. You have in the plant and in cyanobacteria, you have first photo system 2. Photo system 2 is where the water splitting occurs with the release of the oxygen. You get a transfer of the electrons across the membrane. And there the electron moves on to another complex. Then you’re going to a PC1 complex where you transfer the electrons back across the membrane. You produce another molecule, called plastocyanin, this donates electrons to the photo system 1. Then the electrons are transferred here to another, to ferredoxins and at the end you reduce NADPH, which is a co-enzyme. So this is what happens in the light reaction. In addition the gradients formed across the photosynthetic membranes drive the synthesis of ATP here. And that’s a rotatory engine and the rotation here leads to the synthesis of ATP. So this is what happens in the basic steps of the light reaction. The conversion of the sun light in photosynthesis is considered to be very high with a really effective quantum yield. But one has to say that less than half of the sun light which reaches the earth is photosynthetically active. So it’s only the wavelength from 400 to 700 nanometres which can be used by the land plants. And quantum yield is high as I said but this means that each photon absorbed leads to electron transfer across the photosynthetic membrane. This does not mean that the energy yield is high. If we look at this schematic drawing with respect to energy, then we saw as I said with photo system 2 and went up with NADPH and that’s an energy scale. And most of the light energy is lost in the primary light reaction already. Theoretically you need 8 photons to rise the energy for electrons by 1.2 electron volts. That’s a difference here between the water and the NADPH up here. And this means that only between 19 and 33% of the energy of the absorbed photons are stored in the form of NADPH. So already most of the energy is lost in the photosynthetic electron flow here. And experimentally you always find and you need about 9.4 -the 8 is theory and the reality is 9.4- in order to reduce 2 molecules of NADP to NADPH. And if we consider that only 47% related to energy of the sun light are photosynthetically active you have to conclude that 11.9% must be the absolute maximal efficiency of photosynthetic light energy conversion of plants. This value is reduced substantially further by inhibition of photosynthesis as high light intensities, damage at high light intensities and the inefficiency of carbon dioxide fixation. Let me start off with the inhibition of photosynthesis at high light intensities. And this shows you here the Co2 fixation. The dependence of the strength of the sun light. And you see here that already at this rather low value here of about 200 you reach saturation. And the full sun light is about at the value of 1,600. So it would be well to the right of the scale. And this means that at 20% of the full sun light is the maximum already reached and 80% of the energy of sun light is not used by the land plants, of the full sun light. We have further losses of energy caused by photo inhibition, by photo damage at high light intensities, by photo respiration. That’s a process in which oxygen is used by the enzyme ribulose-1,5-bicarboxilase instead of carbon dioxide in Co2 fixation. The wrong product has to be removed by respiration and by other metabolic processes. At the end the theoretical limit for the efficiency of photosynthesis is around 4.5%. That’s the theoretical upper limit. But in reality it’s less than 1% of the sunlight energy which is stored in the form of biomass. And in particular I didn’t mention much about the photo damage and actually the plant is able to repair the photo system once every 20 minutes. So the plants repair their system 3 times an hour. And I don’t think that we can do that in a technological process. Now let’s start with some examples, we have here. Let’s start with biogas, that's produced by archaea, methanogenic micro organism. Biomass, contains 60% methane. The rest is mainly carbon dioxide but there’s also some danger in it because you produce hydrogen sulphide which caused some fatal accidents already. And this is how you can operate, you have the cows. You produce some products apart from milk. And this goes into the fermenter, you add mainly green stuff, mainly maize, leaves from the corn. Add this to the fermentation. And you get heat, you can use... the farmer can use this for heating the house. And you produce biogas and the biogas, the methane there is... drives a gas engine in a generator and you produce electricity. And you can use of course a residual stuff here as a fertiliser on the field. You can simply calculate, look up in the tables and you get about 4,600 cubic metres of methane per hectare. The energy yield is about 46,000 kilowatt hours. And this would convert to about 17,000 kilowatt hours electro energy or about 1.7 kilowatt hours per square metre and year resulting in 0.2 watt per square metre on a continues basis averaged over the year. And if you look about the distribution of the average energy of the sun light reaching the earth that you see here. We are now here in Constance, that would be about 150, we are in Lindau, not in Constance, we are at the Lake of Constance, we are in Lindau. So we are here. And in the Sahara you get about 315 watts per square metre so it’s only a difference of about 223 in the sun light energy between Sahara and Germany. If we use that energy here in Lindau, if we compare that, then we would only convert 0.2 watts into electric energy. That is about 0.13% of the sun light energy comes into the electric energy via biogas. So that’s a highly inefficient usage of land. And we have not considered with that value that we have to put in about 40% of the energy by using fertiliser, by tractor fuel to produce the biogas. So the real value here is below 0.1% if we go via biogas to produce electricity. And if we ask eventually could we produce Germany’s energy amount by that. And then we come up with a calculation that we would require 720,000 square kilometres. When we consider also the energy input by the energy, the entire area of Germany is about 350,000 square kilometres only. The agricultural area including meadows is about 170,000 square kilometres. So we cannot do that within Germany to save our energy crisis by biogas. Let’s go on with bio ethanol. In Europe it comes from sugar beet or wheat. And in the US it comes from corn. And the ethanol produced per hectare has energy content slightly higher than the biogas from the maize field. But 80 to 88% of the energy of the bio fuel has to be invested into the growth of the plants, harvest and into the concentration of the alcohol, the ethanol to 99.5% by distillation and other chemical processes. And if the energy for concentrating the alcohol comes from coal, then there is an increase of carbon dioxide emission, about 30% compared to the direct usage of fossil fuels. If natural gas, methane, is used as an energy resource, then there is a reduction of carbon dioxide emission by about 35%. And there is no effect when petrol is used for providing the energy as an input. So it depends on the energy input. And sugar cane in Brazil is very popular and there it’s competitive and saves carbon dioxide because it’s the only, it’s only cut for harvest, it’s re-grown, you don’t need to plough the field and to plant freshly. The squeezed stems are dried and burned for distillation. And the energy input there is about 1/9 of the energy contents of the ethanol. But when you compare the energy of the sun light and the bio ethanol that you get, it's still less than 0.2% of the energy of the sun light which has fallen on the sugar cane plantation. Also this is a pretty inefficient process. My vision for the whole thing is that we have to, for increasing the yield of biomass in general, improve carbon dioxide fixing enzyme RuBisCo, Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, by genetic engineering and selection techniques. And I think it might be possible to increase the efficiency of carbon dioxide fixation and therefore the overall yield of photosynthesis by 50 to 100%. One can try to expand the wavelength range used by plants, by introducing light arresting system which absorbs also UV light and more to the infrared light and also the green light. But if you do that, then your leaves will be black. And you can consider walking in a black forest and the meadows will be black. The grass will be black. How would you like that? Another point is one could try to reduce the photo inhibition at high light intensities. I said that already, at 20% of the full sun light photosynthetic apparatus is saturated. And this is potentially possible when you reduce the size and number of the light harvesting complexes. So that less energy from the light harvesting complexes is transferred to 1 reaction centre. Another crucial point is that the water availability will be crucial. Water is a limiting factor in photosynthesis of the plants. And actually there are reports that you need about 60,000 litres of water to produce 1 litre of German bio diesel. People are then also talking about the next generation of bio fuel. That is a process called biomass to liquid, BtL. Because conventional present day techniques like bio ethanol production from sugar cane or sugar beets or bio diesel use only rape seeds or use only parts of the plants. A future BtL production uses the whole plant which is gasified or converted enzymatically to be used to produce the biogas and less land is required to get the same amount of fuel. And the Fischer-Tropsch process is used for synthesis, called the FT diesel or sun diesel. And the raw material has to be dry, it would be wood or straw and other kind of biomass. And the claim is that you can get about 1 litre of this bio diesel from 4 kilograms of wood. And it was estimated that about 1 hectare provides 3,000 to 4,000 kilogram of FT diesel per year. But I have to say this is not a fair value here because the people don’t tell you that you have to add hydrogen in order to get a high yield in the synthesis process of the diesel. But the hydrogen comes from fossil fuels, is made from fossil fuels, from methane or from petrol. So you need... In this process also you have to put in fossil fuel. But also more recent estimates, there was a study sponsored by the European Union and they ended up with values of 890 to 2,300 kilograms per hectare, so much less than was the original claim. Poplar would be a pretty good source for wood because it has a pretty high efficient photosynthesis rate and it produces about 1% of biomass from the sun light’s energy. Similar this kind of grass, miscanthus, does in a similar way and you wouldn’t have to seed it every year. So that’s a good source for biomass. And if we assume that about 3,000 litres of this FT diesel per hectare can be produced but we have to consider also the input of external energy for its production. Then we would require the entire area of Germany to grow either poplar or the miscanthus in order to supply the present consumption of gasoline and diesel for cars and trucks in Germany. So that is not a viable way to get the fuel for our cars and engines. Another point which comes up is bio diesel from the oil palm. And from the palm plant here, the point is, the yield is pretty good, about 5,000 to 6,000 litres per hectare. But the point is, the forests are cleared primarily in South-East Asia, in Malaysia, Borneo, Sumatra are the most terrible examples. And the palm oil is exported to Europe and it even receives subsidies because it’s considered to be renewable energy. But with that actually we do a very bad job because the tropical rain forest in South-East Asia, they grow on peat. And the underlying organic material on the soil here is oxidised when you remove the forest. Its oxidised by yeast and bacteria and it takes about 430 years until you get a compensation of this carbon dioxide released by the bio diesel saving. And in my opinion we should stop to produce bio diesel in the tropics from the oil palm. And we should not allow the import of palm oil derived bio fuels in Europe. I also think that the result of the climate will be very negative because it is much, much drier than the original forest. And on the other hand we kill our eco systems. We kill many species and our natural resources which may have many, many unknown compounds which could be used in medicine to treat one or the other disease. And to reduce the carbon dioxide release it would be much better to grow poplars on the land used for bio fuel production. And to convert the bio mass to coal by a process called hydrothermal carbonisation. And you have to heat the biomass in water to about 160 degrees and this would actually save 207 kilograms carbon dioxide per hectare. Whereas when you produce bio fuels you save about 0.3 kilograms per square metres. So not producing bio fuels and instead reforesting the land saves you 10 times more carbon dioxide than the actual bio fuel production. This is why I think one of the most stupid things is bio fuel production. And I think the major reason why it is so popular is because there is subsidies for farmers. Particularly in Europe and there’s lots of lobbyism in parliament, to governments and that's why we have now also... we have 10% ethanol, bio ethanol in some kind of our super gasoline and diesel has to have 7% of bio diesel in it and with that actually we kill our environment. If we now compare the systems and we go to efficiency of commercially available photovoltaic cells, then here we have a yield of about 15 to 20% in electric energy compared to the sun light energy. And also you have seen such things as this thermal power plant where you have reflectors focusing the sun light onto absorber tubes. You can heat the liquid up to 400 degree and then you can produce electricity in a classical process via steam. And this is considered also to be very effective and you could produce energy also during night when no sun is shining in contrast to the photovoltaic cells. And the space requirements for solar cells providing all electric energy for the world is listed here. For Europe or for Germany, Germany would be a square of 50 times, 60 kilometres only of the Sahara would be sufficient to produce the energy, electric energy for Germany. My vision there is if we would be able to transport electric energy without losses by super conducting electricity cables then we would require 3 to 4 big photovoltaic fields, maybe one in north Africa or one also maybe in South Africa, Kalahari, one in China, one in Australia, one in Mexico. And if these cables would span the globe then we could have continuous energy all over the world, we wouldn’t need, there would be no need to store energy because the sun is shining somewhere at each hour. But even now without super conducting cables we can transport electric energy from the Sahara to central Europe with high voltage direct current cables and this is what is planned in the Desertec. But on the other hand the yield also in Germany is pretty good. And probably we don’t need that. Coming to the alternative to bio fuels and we have that car and this car is electric car and it uses 80% of the energy stored in the electric batteries for propulsion. So 80% of the energy in the electric battery is used for driving the wheels. If we see, have a look at this car with a combustion engine and then only 20% of the energy of the gasoline is used for driving the wheels. So there is an advantage of a factor of 4 of the electric system over the bio fuel system. So if we take that into account and we consider that bio fuel contains less than 0.2% of the energy of the sun light. And we can easily calculate that the combination of photovoltaic cells, electric battery, electric motor, uses the energy of sun light at least by a factor of 400 better than the combination biomass, bio fuel combustion engine. Clearly we need more powerful batteries and I don’t think that is... To get that is realistic and they are in the lab, in the development, they are tin-lithium-sulphur batteries and they store 10 times more energy than the present lithium batteries. Present day lithium batteries are the technology of 1995. The technology has improved and we, I think we will be able to drive our cars with the same range as by gasoline cars in the future. So with that I’m going to come to the end and summarise. And production of bio fuels from various kinds of biomass is a very inefficient land use. And we have to put too much fossil energy into the production of the biomass, into conversion into bio fuel. And the direct usage of biomass for heating or electricity conversion in power plants, replacing bio fuels is more efficient by a factor of 2 or 3 with respect to carbon dioxide fixation than the bio fuel production. Solar energy can and will be used to generate electricity either by solar thermal power plants or by photovoltaic cells. And cars have to be driven by electric batteries, electric motors. But I think with jets we have a problem, for that we cannot use. For our jet traffic in the air we’ll still need kerosene. But I think this can be solved. With that I want to come to the end and thank you for your attention. Applause.

Vielen Dank, dass Sie mir diese Gelegenheit geben. Wie Sie alle wissen, haben wir zwei sehr kontroverse Vorträge gehört. Ich möchte ebenfalls die eine oder andere Anmerkung zu diesen Kontroversen beisteuern. Ich arbeite am Max-Planck-Institut für Biophysik. Unser Institut befasst sich mit Membranproteinen. Membranproteine werden katalysiert... die Photosynthese wird hauptsächlich durch Membranproteine katalysiert; es geht also um Photosynthese. Die Bedeutung von Membranproteinen wird hieraus ersichtlich: Das ist eine Abbildung aus einem Lehrbuch; alles, was Sie sehen, sind Membrane. Und die Proteine spielen darin viele wichtige Rollen. Zum Beispiel katalysieren sie den Transfer (den "Fluss") bzw. den Transport von Substanzen zwischen Membranen, sie sind am biologischen Elektronentransfer beteiligt, hauptsächlich für die Synthese und die Zellatmung, und sie sind auch Signalrezeptoren. Das ist sehr wichtig für die Medizin. Einige Membranproteine sind außerdem Enzyme, vorzugsweise für wasserabweisende Substrate. Gegenwärtig arbeiten wir in erster Linie an der Veratmung, aber das Ganze ist zu kompliziert. Ich befasse mich also mit einfacheren Dingen und spreche mehr oder weniger über die Synthese. Sie haben die kontroverse Diskussion miterlebt; darauf werde ich nicht näher eingehen. Sie wissen auch, dass die Kohlendioxidkonzentration zugenommen hat. Ich glaube, dass die Erwärmung und die Zunahme der Kohlendioxidkonzentration Fakten sind, die nicht bestritten werden können. Ich würde außerdem sagen, dass es nach meiner persönlichen Erfahrung aus mehr als 60 Lebensjahren wärmer geworden ist. Als Kind war ich ein Gärtner, ich kümmerte mich um den Garten meines Vaters; heute kümmere ich mich um meinen eigenen Garten. Ich weiß, wann früher die ersten Minustemperaturen auftraten, nämlich am 15. Oktober, und wenn man nach dem 15.Oktober wartete, bis man Eis in den Bottichen hatte, war es Mitte November. Heutzutage kommt der erste Frost viel später. Und Eis hat man nicht vor Dezember im Bottich. Meine persönliche Erfahrung sagt mir also, dass es eine Erwärmung gibt, aber das ist eine lokale Erwärmung, keine globale Erwärmung. Doch das hat mich davon überzeugt, dass die Erwärmung existiert. Wir haben außerdem aus den Vostok-Eiskernen in der Antarktis die Temperatur und die CO2-Konzentrationen ermittelt; da gibt es eine Korrelation. Doch es stimmt, was mein Vorredner sagte - dass der Temperaturanstieg dem Anstieg der CO2-Konzentration vorangeht. Und das, denke ich, ist ein Problem für die Klimatologen. Der Grund dafür ist... darauf komme ich später zu sprechen. Der Temperaturanstieg kommt vor dem Anstieg der Kohlendioxidkonzentration. Das lässt sich nicht bestreiten. Der Grund dafür ist, dass der Temperaturanstieg die Aktivität der Biomasse, die aerobe Bakterien abbaut, stimuliert. Dies führt in höherem Maße zur Kohlendioxidproduktion als dass es dazu beiträgt, die photosynthetische Kohlendioxidfixierung zu erhöhen. Das ist in der Tat eine Tatsache. Diese Korrelation führte natürlich zusammen mit dem Anstieg der Kohlendioxidkonzentration durch fossile Brennstoffe und theoretischen Überlegungen zu der Annahme, dass die Zunahme von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen, in erster Linie Methan - mit Ausnahme natürlich von Wasser - den beobachteten Temperaturanstieg verursacht, was ich nicht bestreite. Der Beweis dafür, dass die Erderwärmung durch Treibhausgase verursacht wird, beruht auf Berechnungen, Simulationen, die wiederum auf der Theorie des Transfers der Infrarotstrahlung beruhen. Eine Person, die auf diesem Arbeitsgebiet große Bekanntheit erlangte, war Svante Arrhenius. Seine Arbeit stammt aus dem Jahr 1896. Im Jahr 1903 erhielt er den Nobelpreis. Der in meinen Augen beste Beweis dafür, dass Treibhausgase tatsächlich eine globale Erwärmung verursachen, ist die Abkühlung der Troposphäre, die keiner meiner Vorredner erwähnt hat. In großen Höhen kühlt sich die Atmosphäre ab, und das lässt sich leicht erklären. Sie erhält weniger Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche. Das wäre also... in meinen Augen ist das der beste Beweis dafür, dass es die Erderwärmung tatsächlich gibt. Das ist aber auch schon der einzige experimentelle Beweis, den ich anerkenne. Was ich wirklich vermisse, jenseits der Berechnungen, der Simulationen, ist, dass jemand eine sehr lange, leere Röhre mit Spiegeln füllt, eine Infrarotstrahlungsquelle hinzufügt und am Ende misst, wie viel Infrarotstrahlung herauskommt. Wenn dabei zwei Watt pro Quadratmeter herauskommen, bin ich zufrieden. Aber ich frage mich, warum niemand dieses ziemlich einfache Experiment durchführt. Wir kommen zu... der Hauptpunkt ist folgender: Fossile Brennstoffe - also Kohle, Erdöl, Erdgas - gehen auf Photosynthese zurück. Und in der Photosynthese fixieren Pflanzen Kohlenstoff aus der Atmosphäre. Die Frage lautet jetzt: Können Pflanzen zur Herstellung von Biotreibstoffen verwendet werden, das Energieproblem der Menschheit lösen und dadurch gleichzeitig die Erderwärmung reduzieren? Beginnen wir mit dem Blatt einer Landpflanze, wo Photosynthese in erster Linie stattfindet. Zunächst einige grundlegende Fakten: Photosynthese besteht hauptsächlich aus zwei Reaktionsklassen. Eine Klasse sind die Lichtreaktionen: Die Absorption von Licht führt zur Erzeugung chemischer Energie. Das ist Redoxenergie; man kann es auch fixierten Wasserstoff nennen. Und als Nebenprodukt wird Sauerstoff freigesetzt. Es handelte sich also um ein Abfallprodukt. Und die Erfindung der oxygenen Photosynthese sorgte für die größte Veränderung, die es jemals auf der Erde gegeben hat. Es war eine weltweite Katastrophe; über 90 % aller Organismen starb, als das vor etwa drei Milliarden Jahren von der Natur erfunden wurde. Dunkelreaktionen... die Redoxenergie wird dazu verwendet, der Luft das Kohlendioxid zu entziehen, es umzuwandeln und als Zucker zu fixieren. Hier sehen Sie eine Darstellung davon. Es gibt die Lichtreaktion, Wasser kommt dazu, Sauerstoff wird freigesetzt, ATP wird produziert - die universelle Energiewährung in der Biologie. Außerdem wird NADPH produziert, und die anderen Produkte sind das oxidierte Substrat und das hydrolysierte ATP. Dann kommt der Calvin-Zyklus ins Spiel; das Kohlendioxid wird fixiert und das Ergebnis davon ist der Zucker. Die Absorption von Licht geschieht durch Chlorophylle und Carotinoide. Die Chlorophylle hier sind die grünen Moleküle, und die Carotinoide sind die gelben Moleküle; das sind lichtsammelnde Antennen. Der nächste Schritt ist dann die Übertragung der Energie des absorbierten Photons auf das photosynthetische Reaktionszentrum in einem strahlungslosen Prozess. Dort findet die Ladungstrennung statt, und es folgt ein Transport von Elektronen über eine photosynthetische Membran. Der Elektronenakzeptor wird reduziert, und über der Membran wird elektrische Spannung erzeugt. Das ist der Mechanismus. Wir erforschten diese Struktur im Jahr 1986, und das Ergebnis war der Nobelpreis 1988. Hier sehen Sie den primären Elektronendonor, der angeregt wird, und es kommt zum Transfer eines Elektrons über die Membran. Man hat mittlerweile gelernt, das Gleiche mit Pflanzensystemen anzustellen. Was Sie hier sehen, ist das Bild des Photosystems 1 der grünen Pflanze. Das ist sehr kompliziert; es gibt Hunderte von Chlorophyllen, Molekülen, viele, viele Proteine, aber wir können die Struktur untersuchen. Wir können die Position eines jeden Nicht-Wasserstoffatoms in diesem riesigen Komplex herausfinden, was, so denke ich, wirklich ein bemerkenswerter Erfolg ist. Hier sieht man den Elektronenfluss in den photosynthetischen Membranen der Chloroplasten und außerdem Cyanobakterien. Mit der Pflanze und den Cyanobakterien hat man das erste Photosystem 2. Im Photosystem 2 kommt es mit der Freisetzung des Sauerstoffs zur Wasserspaltung. Es folgt ein Transfer der Elektronen über die Membran; dort bewegt sich das Elektron weiter zu einem anderen Komplex. Dann kommt man zu einem PC1-Komplex, wo die Elektronen über die Membran zurücktransferiert werden. Es wird ein weiteres Molekül namens Plastocyanin produziert, das Elektronen an das Photosystem 1 abgibt. Dann werden die Elektronen hier auf Ferredoxine übertragen, und schließlich wird NADPH, ein Coenzym, reduziert. Das ist es also, was bei der Lichtreaktion geschieht. Darüber hinaus treiben die Gradienten, die sich in den photosynthetischen Membranen gebildet haben, die Synthese von ATP an. Es ist ein rotierendes Triebwerk, und die Rotation führt zur Synthese von ATP. Das ist es also, was in den grundlegenden Phasen der Lichtreaktion geschieht. Die Effizienz der Umwandlung des Sonnenlichts in der Photosynthese gilt mit einer wirklich effektiven Quantenausbeute als sehr hoch. Man muss aber sagen, dass weniger als die Hälfte des Sonnenlichts, das die Erde erreicht, photosynthetisch aktiv ist. Nur die Wellenlänge von 400 bis 700 Nanometer kann von den Landpflanzen genutzt werden. Wie gesagt - die Quantenausbeute ist hoch, aber das bedeutet nur, dass jedes absorbierte Photon zu einem Elektronentransfer über die photosynthetische Membran führt. Es bedeutet nicht, dass die Energieausbeute hoch ist. Sehen wir uns diese schematische Zeichnung im Hinblick auf Energie an: Wir beginnen, wie gesagt, mit Photosystem 2 und gehen mit NADPH nach oben; das ist eine Energieskala. Der größte Teil der Lichtenergie geht bereits in der primären Lichtreaktion verloren. Theoretisch benötigt man acht Photonen, um die Energie von vier Elektronen um 1,2 Elektronenvolt zu erhöhen. Das ist der Unterschied zwischen dem Wasser hier und dem NADPH dort oben. Und das bedeutet, das nur 19 % bis 33 % der Energie der absorbierten Photonen in Form von NADPH gespeichert werden. Der größte Teil der Energie geht also bereits hier im photosynthetischen Elektronenfluss verloren. Im Experiment stellt man immer fest, dass man etwa 9,4 Photonen benötigt - acht ist die Theorie; die Wirklichkeit sagt 9,4 - um zwei Moleküle von NADP zu NADPH zu reduzieren. Und wenn wir bedenken, dass nur 47 % - bezogen auf Energie - des Sonnenlichts photosynthetisch aktiv ist, kommt man zwangsläufig zu dem Schluss, dass 11,9 % die absolute maximale Effizienz der photosynthetischen Lichtenergieumwandlung durch Pflanzen darstellt. Dieser Wert wird noch weiter erheblich reduziert durch die Hemmung der Photosynthese bei hoher Lichtintensität, durch Photoschäden bei hoher Lichtintensität und durch die Ineffizienz der Kohlendioxidfixierung. Beginnen wir mit der Hemmung der Photosynthese bei hoher Lichtintensität. Hier sehen Sie die CO2-Fixierung, abhängig von der Stärke des Sonnenlichts. Sie sehen hier, dass schon bei diesem ziemlich niedrigen Wert von etwa 200 die Sättigung erreicht ist, und das volle Sonnenlicht liegt bei einem Wert von etwa 1.600. Das wäre also weit rechts auf der Skala. Und das bedeutet, dass bei 20 % des vollen Sonnenlichts das Maximum bereits erreicht ist, und 80 % der Energie des Sonnenlichts, des vollen Sonnenlichts, wird von den Landpflanzen nicht genutzt. Weitere Energieverluste entstehen durch Photoinhibition, durch Schäden bei hoher Lichtintensität, durch Photorespiration. Das ist ein Prozess, bei dem das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase bei der CO2-Fixierung Sauerstoff statt Kohlendioxid verwendet. Das falsche Produkt muss durch Respiration und durch andere metabolische Prozesse entfernt werden. Am Ende liegt die theoretische Grenze für die Effizienz von Photosynthese bei etwa 4,5 %. Das ist die theoretische Obergrenze. Aber in der Realität wird weniger als 1 % der Sonnenlichtenergie in Form von Biomasse gespeichert. Ich bin auch nicht näher auf die Photoschäden eingegangen - die Pflanze ist in der Lage, das Photosystem alle 20 Minuten zu reparieren. Die Pflanze repariert also ihr System dreimal in einer Stunde. Ich glaube nicht, dass wir das in einem technischen Prozess bewerkstelligen können. Nun einige Beispiele. Beginnen wir mit Biogas, das durch Archaeen - methanogene Mikroorganismen aus Biomasse - produziert wird. Es enthält zu 60 % Methan; der Rest ist hauptsächlich Kohlendioxid. Es birgt aber auch Gefahren: Man produziert nämlich Schwefelwasserstoff, der bereits einige tödliche Unfälle verursacht hat. So kann man das Ganze betreiben: Man hat Kühe, die außer Milch noch andere Dinge produzieren. Das wandert in den Fermenter, man fügt Grünzeug hinzu, hauptsächlich Mais, Maisblätter. Das fügt man der Fermentierung hinzu. Und man erhält Wärme, die man nutzen kann... der Landwirt kann sie für die Beheizung des Hauses nutzen. Außerdem produziert man Biogas - das Biogas, das Methan, treibt eine Gasturbine in einem Generator an, und man produziert Elektrizität. Und den Reststoff hier kann man natürlich als Düngemittel auf dem Feld verwenden. Man kann eine einfache Berechnung anstellen. Ein Blick in die Tabelle zeigt, dass man etwa 400 - 600 Kubikmeter Methan pro Hektar erhält. Die Energieausbeute beträgt etwa 4.000 - 6.000 Kilowattstunden. Das entspricht etwa 17.000 Kilowattstunden elektrischer Energie oder etwa 1,7 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr, was im kontinuierlichen Jahresdurchschnitt 0,2 Watt pro Quadratmeter bedeutet. Dann wirft man einen Blick auf die Verteilung der durchschnittlichen Energie des Sonnenlichts, das die Erde erreicht; das sehen Sie hier. Wir befinden uns hier in Konstanz, das wären also 150... wir sind natürlich in Lindau, nicht in Konstanz, aber jedenfalls am Bodensee. Wir sind also hier. In der Sahara erhält man etwa 315 Watt pro Quadratmeter; die Differenz der Sonnenlichtenergie zwischen der Sahara und Deutschland beträgt also nur etwa 223. Wenn wir diese Energie hier in Lindau nutzen, wenn wir das vergleichen, dann wandeln wir nur 0,2 Watt in elektrische Energie um. Das bedeutet: Etwa 0,13 % der Sonnenlichtenergie fließt über Biogas in die elektrische Energie. Das ist also eine äußerst ineffiziente Landnutzung. Und bei diesem Wert haben wir noch gar nicht berücksichtigt, dass wir für die Produktion von Biogas etwa 40 % der Energie einsetzen müssen - durch die Verwendung von Düngemitteln, durch Treibstoff für den Traktor. Der echte Wert liegt hier also unter 0,1 %, wenn wir Elektrizität durch Biogas produzieren. Wenn wir uns schließlich fragen, ob wir damit Deutschlands Energiemenge produzieren können, dann landen wir bei einer Rechnung, wonach wir 720.000 Quadratkilometer brauchen, wenn wir auch den Energieeinsatz berücksichtigen. Die gesamte Fläche von Deutschland beträgt nur etwa 350.000 Quadratkilometer; die landwirtschaftlichen Flächen einschließlich Weideflächen machen etwa 170.000 Quadratkilometer aus. In Deutschland können wir unsere Energiekrise also nicht mit Biogas bewältigen. Machen wir weiter mit Bioethanol. In Europa kommt es von Zuckerrüben oder Weizen, in den USA von Mais. Das Ethanol weist pro Hektar einen geringfügig höheren Energiegehalt als das Biogas vom Maisfeld auf. Doch 80 % bis 88 % der Energie des Biotreibstoffs muss in das Wachstum der Pflanzen investierte werden sowie in die Ernte und in die Konzentrierung des Alkohols, des Ethanols, auf 99,5 % durch Destillation und andere chemische Prozesse. Und wenn die Energie zur Konzentrierung des Alkohols aus Kohle gewonnen wird, dann steigen die Kohlendioxidemissionen an, um etwa 30 % im Vergleich zur direkten Nutzung fossiler Treibstoffe. Wird Erdgas, Methan, als Energiequelle genutzt, dann reduzieren sich die Kohlendioxidemissionen um etwa 35 %. Wenn Erdöl zur Bereitstellung des Energieeinsatzes verwendet wird, hat das keine Auswirkungen. Es hängt also vom Energieeinsatz ab. Zuckerrohr ist in Brasilien sehr beliebt. Dort ist es wettbewerbsfähig und spart Kohlendioxid ein, denn es wird zur Ernte nur geschnitten, es wächst nach, man muss den Acker nicht pflügen, um es von neuem anzupflanzen. Die gepressten Stängel werden getrocknet und destilliert. Der Energieeinsatz beträgt hier etwa ein Neuntel des Energiegehalts von Ethanol.. Vergleicht man jedoch die Energie des Sonnenlichts mit dem Bioethanol, das man gewinnt, stellt man fest, dass immer noch weniger als 0,2 % der Energie des Sonnenlichts auf der Zuckerplantage ankommen. Das ist ebenfalls ein ziemlich ineffizienter Prozess. Meine Vision für das Ganze sieht folgendermaßen aus: Um den Ertrag von Biomasse allgemein zu steigern, müssen wir das Kohlenstoff fixierende Enzym RuBisCo - Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase - durch Gentechnik und Selektionsverfahren verbessern. Meiner Ansicht nach dürfte es möglich sein, die Effizienz der Kohlendioxid-Fixierung und damit den Gesamtertrag der Photosynthese um 50 % bis 100 % zu steigern. Man kann versuchen, den von Pflanzen verwendeten Wellenlängenbereich durch die Einführung eines lichthemmenden Systems, das auch UV-Licht sowie eher infrarotes und grünes Licht absorbiert, zu erweitern. Aber wenn man das macht, werden die Blätter schwarz. Und können sie sich vorstellen, in einem schwarzen Wald spazieren zu gehen? Die Wiesen sind ebenfalls schwarz. Das Gras ist schwarz. Wie würde Ihnen das gefallen? Man könnte auch versuchen, die Photoinhibition bei hohen Lichtintensitäten zu reduzieren. Ich habe schon gesagt, dass der photosynthetische Apparat bei 20 % des vollen Sonnenlichts gesättigt ist. Hier könnte man etwas erreichen, indem man Größe und Anzahl der lichtsammelnden Komplexe reduziert, so dass weniger Energie von den lichtsammelnden Komplexen auf ein Reaktionszentrum übertragen wird. Ein weiterer kritischer Punkt: Die Verfügbarkeit von Wasser ist von entscheidender Bedeutung. Wasser ist ein limitierender Faktor für die Photosynthese der Pflanzen. Es gibt Berichte, dass man zur Herstellung von einem Liter deutschem Biodiesel etwa 60.000 Liter Wasser benötigt. Dann spricht man von der nächsten Generation von Biotreibstoffen. Hierbei handelt es sich um einen Prozess mit der Bezeichnung "Biomasse zu Flüssigkeit" (biomass to liquid, BtL). Bei den heutigen, herkömmlichen Techniken, etwa bei der Herstellung von Bioethanol aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben bzw. von Biodiesel aus Rapsöl werden nur Teile der Pflanzen verwendet. Bei einer künftigen BtL-Produktion wird die ganze Pflanze genutzt; zur Verwendung bei der Produktion von Biogas wird sie in Gas verwandelt bzw. enzymatisch umgewandelt. So wird zur Herstellung der gleichen Treibstoffmenge weniger Land benötigt. Und für die Synthese kommt der Fischer-Tropsch-Prozess zum Einsatz; das Ganze nennt man dann FT-Diesel oder Sonnendiesel. Das Rohmaterial muss trocken sein; es würde sich um Holz, um Stroh oder andere Arten von Biomasse handeln. Es wird behauptet, dass man aus vier Kilogramm Holz etwa einen Liter dieses Biodiesels gewinnen kann, und man schätzt, dass ein Hektar 3.000 bis 4.000 Kilogramm FT-Diesel jährlich erbringt. Ich muss allerdings sagen, dass diese Zahl trügerisch ist, denn man klärt Sie nicht darüber auf, dass man Wasserstoff hinzufügen muss, um im Syntheseprozess des Diesels einen hohen Ertrag zu erhalten. Der Wasserstoff aber kommt von fossilen Treibstoffen, er ist aus fossilen Treibstoffen gemacht, aus Methan oder Erdöl. Bei diesem Prozess muss man also ebenfalls fossile Treibstoffe einsetzen. Es gibt aber auch neuere Schätzungen - eine von der Europäischen Union finanzierte Studie ermittelte Werte von 890 bis 2.300 Kilogramm pro Hektar, also viel weniger als ursprünglich behauptet. Die Pappel wäre eine ziemlich guter Ausgangsstoff für Holz, denn sie weist eine sehr effiziente Photosyntheserate auf und produziert etwa 1 % Biomasse aus der Lichtenergie der Sonne. Bei dieser Grasart, Miscanthus, ist es ähnlich, und man müsste sie nicht jedes Jahr aussäen. Das ist also eine guter Ausgangsstoff für Biomasse. Wenn wir annehmen, dass etwa 3.000 Liter dieses FT-Diesels pro Hektar hergestellt werden können - wobei wir aber auch den Einsatz externer Energie für seine Herstellung berücksichtigen müssen - dann würden wir die gesamte Fläche von Deutschland benötigen, um den derzeitigen Bedarf an Benzin oder Diesel für PKW und LKW in Deutschland durch das Anpflanzen von Pappeln oder Miscanthus decken zu können. Das ist also kein tragfähiger Weg zur Gewinnung des Treibstoffs für unsere Autos und Maschinen. Biodiesel aus der Ölpalme wird ebenfalls immer wieder erwähnt. Der Ertrag aus dieser Palme ist ziemlich gut, etwa 5.000 bis 6.000 Liter pro Hektar. Die Sache hat aber einen Haken: Die Wälder werden hierfür hauptsächlich in Südostasien abgeholzt, Malaysia, Borneo, Sumatra sind die schrecklichsten Beispiele. Und das Palmöl wir nach Europa exportiert und dort sogar subventioniert, denn es gilt als erneuerbare Energie. Tatsächlich aber ist das eine sehr schlechte Tat, denn der tropische Regenwald in Südostasien wächst auf Torf. Und das zugrundeliegende organische Material auf dem Boden oxidiert, wenn man den Wald entfernt. Es oxidiert durch Hefe und Bakterien, und es dauert etwa 430 Jahre, bis diese Abgabe von Kohlendioxid durch die Biodiesel-Einsparungen ausgeglichen ist. Meiner Meinung nach sollten wir die Herstellung von Biodiesel aus der Ölpalme in den Tropen stoppen. Und wir sollten die Einfuhr von Biotreibstoffen aus Palmöl nach Europa verbieten. Ich bin auch der Ansicht, dass die Auswirkungen auf das Klima negativ sind, denn es ist viel trockener als im ursprünglichen Wald. Andererseits zerstören wir unsere Ökosysteme. Wir töten viele Arten und vernichten natürliche Ressourcen, die möglicherweise zahlreiche unbekannte Bestandteile aufweisen, mit denen die Medizin die eine oder andere Krankheit heilen könnte. Zur Senkung der Kohlendioxidabgabe wäre es viel besser, auf dem für die Herstellung von Biotreibstoffen genutzten Land Pappeln anzupflanzen und die Biomasse durch einen Prozess namens hydrothermale Karbonisierung in Kohle umzuwandeln. Dann muss man die Biomasse in Wasser auf etwa 160 Grad erhitzen; das würde 207 Kilogramm Kohlendioxid pro Hektar einsparen. Während man durch die Herstellung von Biotreibstoffen etwa 0,3 Kilogramm pro Quadratmeter einspart. Wenn man also die Herstellung von Biotreibstoffen unterlässt und stattdessen das Land wiederaufforstet, spart man damit zehnmal mehr Kohlendioxid ein als durch die Herstellung von Biotreibstoff. Deshalb bin ich der Ansicht, dass die Herstellung von Biotreibstoff zum Dümmsten gehört, was es gibt. Und ich glaube, der Hauptgrund für seine Beliebtheit liegt darin, dass es für die Landwirte Subventionen gibt, insbesondere in Europa. Lobbys üben auf Parlamente und Regierungen einen starken Druck aus, weshalb wir jetzt auch... wir haben 10 % Ethanol, Bioethanol in einer bestimmten Art unseres Superbenzins, und Diesel muss 7 % Biodiesel enthalten. Damit zerstören wir unsere Umwelt. Wenn wir nun die Systeme vergleichen und uns die Effizienz handelsüblicher Photovoltaikzellen ansehen, dann haben wir hier einen Ertrag von etwa 15 % bis 20 % an elektrischer Energie verglichen mit der Energie des Sonnenlichts. So etwas haben Sie auch schon einmal gesehen - das ist ein thermisches Kraftwerk, wo Reflektoren das Sonnenlicht auf Absorberrohre fokussieren. Man kann die Flüssigkeit auf bis zu 400 Grad erwärmen und Elektrizität in einem klassischen Prozess durch Dampf erzeugen. Das gilt ebenfalls als sehr effektiv. Im Gegensatz zu den Photovoltaikzellen könnten man hier auch nachts Energie erzeugen, wenn die Sonne nicht scheint. Der Platzbedarf für Solarzellen, mit denen man den gesamten weltweiten Bedarf an elektrischer Energie decken könnte, ist hier dargestellt. Für Europa bzw. Deutschland... schon ein Viereck von 50 mal 60 Kilometern in der Sahara würde ausreichen, um die elektrische Energie für Deutschland zu erzeugen. Meine Vision sieht folgendermaßen aus: Wenn wir in der Lage wären, elektrische Energie verlustfrei durch supraleitende Stromkabel zu transportieren, dann bräuchten wir drei bis vier große Photovoltaikanlagen, vielleicht eine in Nordafrika, vielleicht auch eine in Südafrika, in der Kalahari, eine in China, eine in Australien, eine in Mexiko. Wenn diese Kabel um die ganze Welt reichen würden, hätten wir weltweit kontinuierliche Energie, Energie müsste nicht gespeichert werden, denn die Sonne scheint immer irgendwo. Doch selbst jetzt schon, ohne supraleitende Kabel, können wir elektrische Energie in Hochspannungs-Gleichstromkabeln von der Sahara nach Mitteleuropa transportieren, und genau das ist für Desertec geplant. Andererseits ist aber auch der Ertrag in Deutschland schon ziemlich gut. Vielleicht brauchen wir das gar nicht. Kommen wir zur Alternative für Biotreibstoffe. Sie sehen dieses Auto - das ist ein Elektroauto, das 80 % der in den Batterien gespeicherten Energie für den Antrieb nutzt. Sehen wir uns nun dieses Auto mit Verbrennungsmotor an - nur 20 % der Energie des Benzins wird genutzt, um die Räder anzutreiben. Das elektrische System ist also gegenüber dem Biotreibstoffsystem um den Faktor vier im Vorteil. Wenn wir das berücksichtigen und daran denken, dass Biotreibstoff weniger als 0,2 % der Energie des Sonnenlichts enthält, können wir ganz einfach ausrechnen, dass die Kombination aus Photovoltaikzellen, Batterie, Elektromotor die Energie des Sonnenlichts mindestens um den Faktor 400 besser nutzt als die Kombination Biomasse, Biotreibstoff, Verbrennungsmotor. Natürlich brauchen wir leistungsstärkere Batterien, und ich denke nicht, dass das... es ist realistisch, damit zu rechnen, sie sind schon im Labor, in der Entwicklung. Es handelt sich um Zinn-Schwefel-Lithium-Akkus, die zehnmal mehr Energie speichern können als die heutigen Lithium-Batterien. Die heutigen Lithium-Batterien sind die Technik von 1995. Die Technik hat sich verbessert, und ich denke, wir können in der Zukunft mit diesen Autos die gleichen Reichweiten erzielen wie mit benzinbetriebenen Autos. Damit komme ich zum Ende. Ich fasse zusammen: Die Herstellung von Biotreibstoffen aus verschiedenen Arten von Biomasse ist eine sehr ineffiziente Landnutzung. Wir müssen zu viel fossile Energie für die Herstellung der Biomasse, für die Umwandlung in Biotreibstoff einsetzen. Und die direkte Nutzung von Biomasse für die Beheizung oder die Verstromung in Kraftwerken als Ersatz für Biotreibstoffe ist im Hinblick auf Kohlendioxid-Fixierung um den Faktor zwei oder drei effizienter als die Herstellung von Biotreibstoffen. Die Sonnenenergie kann und wird zur Stromerzeugung genutzt werden - entweder durch Solarthermiekraftwerke oder durch Photovoltaikzellen. Und Autos müssen durch Batterien angetrieben werden, durch Elektromotoren. Mit Flugzeugen haben wir allerdings ein Problem; dafür sind sie nicht verwendbar. Für den Flugverkehr in der Luft brauchen wir immer noch Kerosin. Aber ich denke, das lässt sich in den Griff bekommen. Damit möchte ich schließen. Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.

Hartmut Michel describing in his 2012 lecture potential approaches to increase the conversion efficiency of photosynthesis
(00:17:46 - 00:19:26)

 The complete video is available here.

Lastly, photosynthesis allows green plants to store large amounts of carbon in above- and below-ground biomass. Their fundamentally important role as carbon sinks has led researchers to consider ways to increase the amount of atmospheric carbon dioxide they capture as a way to offset greenhouse gas emissions. As an example, some experts believe that genetic engineering approaches in plant breeding can enhance the capacity for plants to serve as carbon sinks, also known as phytosequestration[25].

 

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Johann Deisenhofer 2016: "Photosynthetic Light Reactions, Revisited"

Sir John E. Walker 2013: "The Fuel of Life"

Paul Boyer 2002: "The Oxygen We Breathe - Friend and Foe"

Hartmut Michel 2012: "Photosynthesis, Biomass, Biofuels: Conversion Efficiencies and Consequences"

Johann Deisenhofer 1989: "The Three-Dimensional Structure of a Membrane Protein"

Hartmut Michel 1989: "Structure and function of a biological light energy converter"

 

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