2024: Beste Master-Arbeit

Tilman Linke erhielt den Preis für die beste pflanzenwissenschaftliche Master-Arbeit, die an der Universität Leipzig im Jahr 2024 erstellt wurde, von der Deutschen Botanischen Gesellschaft für die Arbeit:

Entwicklung von Photo-Calorespirometry als neue Methode zur direkten Quantifizierung von photosynthetischen Raten und Effizienzen von Cyanobakterien in Echtzeit

Die neuartige Methode der Photo-Kalorespirometrie wurde entwickelt und erstmals auf Cyanobakterien angewendet, wobei Synechocystis sp. PCC 6803 als Modellorganismus diente, um photosynthetische Raten und Effizienzen direkt in Echtzeit auf Energieebene zu quantifizieren.

Die Photosynthese stellt ein natürliches Phänomen dar, das von Phototrophen wie Pflanzen, Mikroalgen oder Cyanobakterien durchgeführt wird. Angesichts der Klimakrise rückt die Nutzung von Phototrophen zur Erzeugung erneuerbarer Energieträger (z. B. Wasserstoff) in photo-biotechnologischen Verfahren zunehmend in den Fokus, da sie Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Die Effizienz dieser Umwandlung von Licht in chemische Energie (PE) ist äußerst dynamisch und hängt von einer Vielzahl wechselnder Umweltbedingungen (z. B. Licht- und Substratverfügbarkeit, Temperatur usw.) sowie von intrazellulären metabolischen Anpassungsmechanismen ab, die erforderlich sind, um die physiologischen Anforderungen bei schwankender Lichtverfügbarkeit auszugleichen. Die derzeit verfügbaren Techniken messen PE jedoch nur indirekt, mit schlechter zeitlicher Auflösung oder ohne Berücksichtigung des gesamten Photosyntheseprozesses. Zu diesem Zweck wurde die Photokalorespirometrie (Photo-CR) entwickelt, um die photosynthetisch fixierte Energie (P_PS) direkt als Wärme zu messen. Photo-CR kombiniert Kalorimetrie mit der gleichzeitigen Echtzeitüberwachung der photosynthetischen Sauerstoffproduktionsrate (r_O2). In dieser Arbeit wurde Photo-CR erstmals für das Modell-Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 etabliert und validiert. Der experimentelle Aufbau von Photo-CR wurde weiter optimiert, um die Genauigkeit der thermokinetischen Daten zu verbessern, die Durchführung der Messungen zu erleichtern und Fehlerquellen zu minimieren. Nach diesen Anpassungen wurde eine maximale fixierte Lichtenergieleistung von 26.4 kJ/gZTG, und P^max/_PS = 5.2 W/g_CDW  erreicht. Die PE wurde unter wechselnden Lichtintensitäten analysiert, wobei ein Maximum von etwa 2,3 % und eine halbmaximale PE bei 360 µmol_Photons/m²*s erzielt wurden. Darüber hinaus legten die Ergebnisse photo-protektive Mechanismen als Reaktion auf hohe Lichtenergieeinträge nahe. Eine starke Korrelation zwischen Kalorimetrie und Respirometrie wurde mit einem oxykalorischen Äquivalent von 488.5 ± 0.3 kJ/mol_O2 beobachtet, was weitere Einblicke in mögliche Nebenreaktionen mit zusätzlichem Energieaufwand bei Sauerstoffverbrauch (z. B. Mehler-Reaktion, Photorespiration) lieferte. Zudem wurde der Einfluss von verschiedenen Stickstoffquellen mit unterschiedlichen Oxidationsstufen auf die photosynthetische Leistung von Synechocystis unter Starklicht- und Schwachlicht-Bedingungen untersucht. Die Photo-CR-Analyse zeigte positve Auswirkungen von Nitrat als zusätzliche Elektronensenke unter Starklicht-Bedingungen. Dies deutet darauf hin, dass überschüssige Lichtenergie die Photosynthese hemmen und Elektronensenken dies verhindern können, indem sie photosynthetisch erzeugte Elektronen aufnehmen. Zusammengefasst offenbarte diese Masterarbeit Photo-CR als eine nicht-invasive, ganzheitliche, schnelle und vielseitige Technik. Photo-CR kann angewendet werden um die effizientesten aquatischen, oxygenen Phototrophen zu identifizieren, optimierte Parameter zur Verbesserung der Photosyntheseleistung zu ermitteln und unser Verständnis der zugrunde liegenden metabolischen Regulationsmechanismen während der Photosynthese zu erweitern.

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Tilman Linke fertigte die Arbeit am Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in den Arbeitsgruppen Prof. Dr. Thomas Maskow und Prof. Dr. Andreas Schmid an.