Ein Forschungsteam in München wollte eigentlich nur ein pflanzliches Protein in ein Bakterium einbauen und erhielt dabei Organismen, die es nach gängiger Lehrmeinung nicht geben dürfte. Die entstandenen Zellen produzieren Sauerstoff, binden Kohlendioxid und wachsen stabil, obwohl ihnen ein Proteinkomplex vollständig fehlt, der seit über 50 Jahren als unverzichtbar gilt. Die neuen Messdaten stellen damit eines der stabilsten Lehrbuchprinzipien der Biologie infrage. Wie die Bakterien den Ausfall kompensieren, war für das Team selbst die größte Überraschung.
München (Deutschland). Die Photosynthese gilt als die folgenreichste biochemische Erfindung der Erdgeschichte, weil sie Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid in energiereiche Zuckerverbindungen umwandelt und dabei molekularen Sauerstoff freisetzt. Pflanzen, Algen und Cyanobakterien nutzen dafür seit Milliarden Jahren einen Ablauf, der in jedem Schulbuch nahezu identisch beschrieben wird. Zwei große Proteinkomplexe in der Thylakoidmembran arbeiten hintereinandergeschaltet. Photosystem II spaltet Wassermoleküle und liefert Elektronen, die über eine Transportkette weitergereicht werden. Photosystem I hebt diese Elektronen anschließend mit einem zweiten Lichtquant auf ein höheres Energieniveau und überträgt sie auf das Reduktionsmittel NADPH, das die Zelle für die Kohlenstofffixierung benötigt. Ohne diesen zweiten Schritt, so lautete die Lehrmeinung, ist eine sauerstoffbildende Photosynthese schlicht nicht möglich. Dieses Prinzip prägt seit mehr als fünf Jahrzehnten die gesamte Pflanzenphysiologie und bildet die Grundlage vieler biotechnologischer Konzepte zur Nutzung von Sonnenenergie.
Genau dieses Prinzip haben Molekularbiologen in München nun experimentell ausgehebelt. Die Arbeitsgruppe um Dario Leister, Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologie der Pflanzen, verfolgte ursprünglich ein völlig anderes Ziel. Sie wollte ein pflanzliches Photosystem I in das Cyanobakterium Synechocystis übertragen, um dessen Lichtreaktion gezielt zu verändern. Wie die im Juli 2026 veröffentlichte Mitteilung der LMU München zum Projekt schildert, entstanden dabei Bakterienstämme, denen das Photosystem I vollständig fehlt. Diese Zellen hätten nach dem gängigen Modell nicht überleben dürfen. Stattdessen wuchsen sie stabil, fixierten Kohlendioxid und gaben messbar Sauerstoff ab. Damit liegt erstmals ein experimenteller Beleg dafür vor, dass oxygene Photosynthese auch mit einem einzigen Photosystem funktionieren kann. Der Befund betrifft einen Prozess, der die Sauerstoffversorgung der gesamten Erdatmosphäre trägt und in der Grundlagenforschung als besonders gut verstanden galt.
Der Weg zu den ungewöhnlichen Stämmen führte über ein Verfahren, das in der Mikrobiologie seit Jahren etabliert ist. Bei der adaptiven Laborevolution werden Mikroorganismen über viele hundert Generationen unter genau definierten Bedingungen gehalten und einem gezielten Selektionsdruck ausgesetzt. Zufällige Mutationen, die einen Wachstumsvorteil bringen, setzen sich dabei innerhalb weniger Wochen durch. Das Team kombinierte diese Methode mit gentechnischen Eingriffen an Synechocystis, einer Modellgattung, die auch in anderen Zusammenhängen als biotechnologische Plattform dient und beispielsweise zur Herstellung von Bioplastik aus Cyanobakterien genutzt wird. Im Verlauf der Selektion verloren einzelne Linien das Photosystem I vollständig, ohne ihre Fähigkeit zur Photosynthese einzubüßen. Für die Forscher war dieser Ausgang nicht vorhersehbar, weil ein solcher Verlust nach bisherigem Verständnis den Elektronenfluss an einer entscheidenden Stelle unterbrochen hätte.
Die entscheidende Frage lautete, woher die Zellen ohne Photosystem I ihr NADPH beziehen. Die Messungen zeigen, dass die Bakterien ihren photosynthetischen Elektronentransport grundlegend umorganisieren. Mehrere evolutionäre Anpassungen führen dazu, dass sich über der Thylakoidmembran ein besonders starker Protonengradient aufbaut. Dieser Gradient liefert genug Energie, damit der sogenannte NDH-1-Komplex seine übliche Arbeitsrichtung umkehrt und Elektronen auf NADP überträgt. Die in der Studie zur Photosystem-I-unabhängigen Photosynthese dokumentierten Daten weisen damit einem Enzymkomplex eine Aufgabe zu, die bislang ausschließlich dem fehlenden Photosystem zugeschrieben wurde. Der alternative Weg entstand allerdings unter kontrollierten Laborbedingungen und ersetzt das Photosystem I nicht gleichwertig, sondern erschließt eine bislang unbekannte Ausweichmöglichkeit. Ob vergleichbare Umbauten auch in natürlichen Populationen vorkommen, ist bislang offen.
Die Tragweite des Befunds reicht über die Pflanzenphysiologie hinaus. Die oxygene Photosynthese hat vor rund 2,4 Milliarden Jahren die Zusammensetzung der Atmosphäre verändert und damit die Voraussetzung für komplexes Leben geschaffen. Bisher galt als plausibel, dass beide Photosysteme früh zusammenwirken mussten, damit dieser Umbruch möglich wurde. Wenn eine Zelle den zweiten Komplex ersetzen kann, rücken einfachere Vorstufen wieder in den Bereich des Denkbaren. Das betrifft auch die Suche nach alternativen Wegen, auf denen Zellen Sauerstoff ohne den klassischen Reaktionsweg erzeugen. Für die Biotechnologie eröffnet der Befund zusätzlich die Perspektive, photosynthetische Systeme mit weniger Bauteilen zu konstruieren, etwa für die Produktion von Wasserstoff, Biokunststoffen oder Wirkstoffen. Bis dahin sind allerdings weitere Arbeiten nötig, die den Ersatzweg quantitativ vermessen und seine Stabilität über längere Zeiträume prüfen.
Nature Communications, Photosystem I-independent oxygenic photosynthesis in cyanobacteria; doi:10.1038/s41467-026-74903-2