Als photosynthetische Organismen tragen (einzellige und mehrzellige) Algen fast so viel zur globalen Kohlendioxid-Fixierung bei wie die Landpflanzen. Unsere Forschung befasst sich mit dem Stoffwechsel von Algen und den Wechselwirkungen von Mikroalgen und anderen Mikroorganismen.

Wir nutzen verfügbare Genomsequenzen von Algen aus, um Hinweise auf bisher unbekannte chemische Verbindungen zu erhalten, und um Biosynthesewege zu bekannten Verbindungen herauszufinden. Im Labor kombinieren wir genetische Strategien mit physiologischen und chemisch-analytischen Methoden, um den Nutzen bestimmter Verbindungen und Proteine für die Algenzelle aufzuklären.

Wir hoffen, dass unsere Forschung neue ökologische Einblicke in den Lebensstil der Algen ermöglicht und unser Verständnis darüber verbessert, wie Algen mit ihrer Umwelt und anderen Organismen interagieren. Zudem kann die Untersuchung des Algenstoffwechsels zur Entdeckung neuer biotechnologisch oder pharmazeutisch nützlicher Verbindungen und Prozesse führen.

Zu den unten genannten Themenfeldern bieten wir regelmäßig Projekte für Abschlussarbeiten an. Bitte wenden Sie sich für Projektanfragen an Prof. Dr. Severin Sasso.

Unsere Forschungsaktivitäten

Mikroalgen sind in Gewässern und Böden allgegenwärtig. Als photosynthetische Primärproduzenten befinden sie sich an der Basis der Nahrungsketten. Die Interaktionen von Mikroalgen mit anderen Mikroorganismen beeinflussen deshalb biogeochemische Flüsse und die Zusammensetzung von Artengemeinschaften. Bekannte Beispiele solcher Artengemeinschaften sind Flechten oder Korallen.Auf molekularer Ebene ist nur wenig über die Wechselwirkungen zwischen Mikroalgen und anderen Mikroben bekannt. Wir benutzen klar definierte Modellsysteme, um solche Interaktionen im Labor zu analysieren. Zum Beispiel ist es unser Ziel, ausgetauschte Näherstoffe, Signale, Gene und Proteine zu identifizieren, welche an diesen Interaktionen beteiligt sind. In einem Projekt, das im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Chemische Mediatoren in komplexen Biosystemen“ durchgeführt wird, untersuchen wir das molekulare Wechselspiel zwischen der einzelligen Modellalge Chlamydomonas reinhardtii und verschiedenen Bodenbakterien (Kooperationspartnerin: Prof. Dr. Maria Mittag, Universität Jena).

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Prof. Dr. Severin Sasso

Universitätsprofessor

Johannisallee 23
04103 Leipzig

Weiterführende Literatur

  • Aiyar, P.; Schaeme, D.; García-Altares, M.; Flores, D. C.; Dathe, H.; Hertweck, C.; Sasso, S.; Mittag, M.
    Antagonistic bacteria disrupt calcium homeostasis and immobilize algal cells.
    Nat Commun. 2017. 8:1–13.
  • Hom EFY, Aiyar P, Schaeme D, Mittag M, Sasso S.
    A chemical perspective on microalgal–microbial interactions.
    Trends in Plant Science. 2015. 20:689–693.
  • Kazamia, E.; Czesnick, H.; Nguyen, T. T. V.; Croft, M. T.; Sherwood, E.; Sasso, S.; Hodson, S. J.; Warren, M. J.; Smith, A. G.
    Mutualistic interactions between vitamin B12-dependent algae and heterotrophic bacteria exhibit regulation.
    Environmental Microbiology.  2012. 14:1466–1476.

Sekundärstoffe (spezialisierte Metaboliten) kommen typischerweise nur in bestimmten Arten vor, und sie sind oft an der Wechselwirkung ihres Produzenten mit seiner Umwelt beteiligt. Unser Ziel ist es, neue Sekundärstoffe aus Algen zu charakterisieren und deren Funktion identifizieren. Einige Mikroalgen aus der Gruppe der Dinoflagellaten zum Beispiel produzieren während der Bildung schädlicher Algenblüten giftige Polyketide, und diese Polyketide tragen zu den Schäden solcher Algenblüten bei (Vergiftung von Menschen und Tieren). Überraschenderweise findet sich auch in den Genomen sequenzierter nicht-toxischer Algen eine Reihe von Genen für die Biosynthese von Polyketiden. Einige dieser vorhergesagten Gene sind riesig, doch deren Funktionen sind bisher rätselhaft geblieben. Wir wollen die entsprechenden Polyketide sowie deren physiologische und ökologische Funktionen aufklären.

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Prof. Dr. Severin Sasso

Universitätsprofessor

Johannisallee 23
04103 Leipzig

Weiterführende Literatur

  • Heimerl, N.; Hommel, E.; Westermann, M.; Meichsner, D.; Lohr, M.; Hertweck, C.; Grossman, A. R.; Mittag, M.; Sasso, S.
    A giant type I polyketide synthase participates in zygospore maturation in Chlamydomonas reinhardtii.
    The Plant Journal. 2018. 95:268–281.

  • Shelest, E.; Heimerl, N.; Fichtner, M.; Sasso, S.
    Multimodular type I polyketide synthases in algae evolve by module duplications and displacement of AT domains in trans.
    BMC Genomics. 2015. 16:1015.

Algen und höhere Pflanzen schützen ihren Photosyntheseapparat vor Schädigungen durch zu hohe Lichtintensitäten durch die Umwandlung von speziellen Pigmenten. Die im sog. Xanthophyllzyklus gebildeten Pigmente führen durch eine Umstrukturierung der für die Lichtsammlung zuständigen Antennenkomplexe der Photosysteme dazu, dass ein Großteil der überschüssigen Lichtenergie unschädlich als Wärme abgegeben wird. Die enzymatische Umwandlung der Xanthophylle findet in einer Biomembran, der Thylakoidmembran, statt. Die Aktivität der Xanthophyllzyklusenzyme ist dabei von bestimmten Membranlipiden und den von ihnen gebildeten Lipidstrukturen abhängig. Unsere Forschung auf dem Gebiet der Xanthophyllzyklen beschäftigt sich mit der Interaktion der Membranlipide, der Xanthophyllzyklusenzyme und der Antennenkomplexe, an die die Xanthophylle im Normalfall gebunden sind. Zudem wollen wir den molekularen Mechanismus, der in den Antennenkomplexen der Photosysteme zur Umwandlung von Lichtenergie in Wärme führt, näher analysieren. Die Untersuchung der Xanthophyllzyklen findet dabei in höheren Pflanzen und Kieselalgen (Diatomeen) statt. Von letzteren wollen wir zusätzlich die Proteinzusammensetzung, Struktur und Funktion der Xanthophyll-bindenden Antennenkomplexe ermitteln.

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Prof. Dr. Reimund Goss

Prof. Dr. Reimund Goss

Johannisallee 23, Raum 103
04103 Leipzig

Weiterführende Literatur

  • Bojko, M.; Olchawa‐Pajor, M.; Goss, R.; Schaller‐Laudel, S.; Strzałka, K.; Latowski, D.
    Diadinoxanthin de-epoxidation as important factor in the short-term stabilization of diatom photosynthetic membranes exposed to different temperatures.
    Plant, Cell & Environment.  2019. 42:1270–1286.
  • Goss, R.; Greifenhagen, A.; Bergner, J.; Volke, D.; Hoffmann, R.; Wilhelm, C.; Schaller-Laudel, S.
    Direct isolation of a functional violaxanthin cycle domain from thylakoid membranes of higher plants.
    Planta. 2017. 245:793–806.
  • Schaller-Laudel, S.; Volke, D.; Redlich, M.; Kansy, M.; Hoffmann, R.; Wilhelm, C.; Goss, R.
    The diadinoxanthin diatoxanthin cycle induces structural rearrangements of the isolated FCP antenna complexes of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum.
    Plant Physiology and Biochemistry. 2015. 96:364–376.

Verschiedene biotische (z.B. Pathogene) und abiotische Stressfaktoren (z.B. UV, Huminstoffe) beeinträchtigen die Photosyntheseleistung von Algen und stören deren Entwicklung oder Wachstum. Chlorophyllfluoreszenz-, Thermolumineszenz- und Gaswechselmessungen liefern wichtige Informationen über den Photosyntheseapparat, dessen Regulation bzw. spezifische Angriffsorte unter Stressbedingungen. Zusätzlich kann über die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies auch oxidativer Stress induziert werden, der zur Schädigung von Zellbestandteilen, wie z.B. von Lipiden führen kann (Lipidperoxidation). Mittels biochemischer Marker oder Hochtemperatur-Thermolumineszenzmessungen können solche Stressprodukte detektiert und der Schädigungsgrad von Algenzellen evaluiert werden. Die stressphysiologische Charakterisierung von Algen kann aber auch wertvolle Informationen zu weiteren Forschungsthemen unserer Arbeitsgruppe liefern, wie z.B. zur Interaktion von Mikroalgen mit anderen Mikroorganismen oder zum Sekundärstoffwechsel (z.B. Antioxidantien, Ovothiol in Chlamydomonas reinhardtii).

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Dr. Matthias Gilbert

Johannisallee 23, Raum 103
04103 Leipzig

Weiterführende Literatur

  • Gilbert, M.; Bährs, H.; Steinberg, C.E.W.; Wilhelm, C.
    The artificial humic substance HS1500 does not inhibit photosynthesis of the green alga Desmodesmus armatus in vivo but interacts with the photosynthetic apparatus of isolated spinach thylakoids in vitro.
    Photosynth Research.  2018. 137:403–420.
  • Lepetit, B.; Volke, D.; Gilbert, M.; Wilhelm, C.; Goss, R.
    Evidence for the existence of one antenna-associated, lipid-dissolved and two protein-bound pools of diadinoxanthin cycle pigments in diatoms.
    Plant Physiology. 2010. 154:1905–1920.
  • Gilbert, M.; Wagner, H.; Weingart, I.; Skotnica, J.; Nieber, K.; Tauer, G.; Bergmann, F.; Fischer, H.; Wilhelm, C.
    A new type of thermoluminometer: A highly sensitive tool in applied photosynthesis research and plant stress physiology.
    Journal of Plant Physiology. 2004. 161:641–651.

Algenzellen nutzen Lichtenergie und Kohlenstoff zur Bildung von Biomasse. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die Nutzungseffizienz sowohl der absorbierten Lichtenergie (Quanteneffizienz) als auch des assimilierten Kohlenstoffs für die Biomassebildung in den verschiedenen Algenklassen sehr unterschiedlich sein kann. Von Bedeutung sind hier u.a. Lichtschutzmechanismen, alternative Elektronenwege und Stoffwechselwege, die die Kohlenstoffverteilung und somit die Zusammensetzung und den Energiegehalt der gebildeten Biomasse bestimmen. Die Analyse der Energie- und Kohlenstoffverteilung in Algenzellen erfolgt mittels einer Kombination verschiedener Messmethoden, u.a. Chlorophyllfluoreszenz, O2/CO2-Gaswechselmessungen und Infrarot-Spektroskopie (FTIR). Diese ergeben dann ein Gesamtbild der Energie- und Kohlenstoffflüsse in einer Phytoplanktonzelle in Abhängigkeit unterschiedlicher abiotischer Faktoren (Lichtklima, Nährstoffversorgung, Temperatur, pH-Wert), aber auch als Ergebnis der Interaktion der Algen untereinander bzw. mit anderen Mikroorganismen. Die Kenntnis der zellulären Energie- und Kohlenstoffverteilung ist entscheidend für die Interpretation unterschiedlicher Wachstumsstrategien der planktonischen Algen, sowie für die Modellierung der Biomasseproduktion in Bioreaktoren bzw. der aquatischen Primärproduktion im Freiland.

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Dr. Torsten Jakob

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Weiterführende Literatur

  • Grund, M.; Jakob, T.; Wilhelm, C.; Bühler, B.; Schmid, A. Electron balancing under different sink conditions reveals positive effects on photon efficiency and metabolic activity of Synechocystis sp. PCC 6803. Biotechnology for Biofuels. 2019. 12:43.

  • Wagner, H.; Jakob, T.; Fanesi, A.; Wilhelm, C. Towards an understanding of the molecular regulation of carbon allocation in diatoms: the interaction of energy and carbon allocation. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2017. 372:20160410.

  • Dunker, S.; Jakob, T.; Wilhelm, C. Contrasting effects of the cyanobacterium Microcystis aeruginosa on the growth and physiology of two green algae, Oocystis marsonii and Scenedesmus obliquus, revealed by flow cytometry. Freshwater Biology. 2013. 58:1573–1587.

Gibberelline sind elementare pflanzliche Hormone. Sie sind insbesondere für das Längenwachstum, die Keimung und die Fruchtentwicklung essenziell. Gleichzeitig sind sie aber auch an der Regulation der pflanzlichen Abwehr gegen Herbivoren und Mikroorganismen beteiligt. So produzieren einige Pflanzenpathogene Gibberelline, um die Abwehr ihres Wirtes durch das erzeugte Hormonungleichgewicht zu überwinden. Die erste isolierte Gibberellinstruktur stammt sogar vom phytopathogenen Pilz Gibberella fujikuroi, dem Erreger der Bakanae-Krankheit. Die Biosynthesewege in Pilzen und Pflanzen wurden bereits im Detail erforscht und sind evolutionär unabhängig voneinander. Für Bakterien konnten wir einen weiteren Gibberellinbiosyntheseweg identifizieren. Überraschenderweise produzieren sowohl pathogene als auch symbiotische Bakterien Gibberelline. Wir sind daran interessiert, einzelne enzymatische Reaktionen näher zu charakterisieren und das Zusammenspiel zwischen pathogenen Bakterien und ihren Wirtspflanzen zu untersuchen.

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Dr. Raimund Nagel

Johannisallee 23, Raum 104
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-38524

Weiterführende Literatur

  • Nagel, R.; Peters, RJ.
    Diverging Mechanisms: Cytochrome-P450-catalyzed demethylation and γ-lactone formation in bacterial gibberellin biosynthesis.
    Angewandte Chemie. 2018. 130:6190–6193.

  • Nagel, R.; Peters, RJ.
    Investigating the phylogenetic range of gibberellin biosynthesis in bacteria.
    Molecular Plant-Microbe Interactions. 2017. 30:343–349.

  • Nagel, R.; Turrini, PCG.; Nett, RS.; Leach, JE.; Verdier, V.; Sluys, M-AV.; Peters, RJ.
    An operon for production of bioactive gibberellin A4 phytohormone with wide distribution in the bacterial rice leaf streak pathogen Xanthomonas oryzae pv. oryzicola.
    New Phytologist. 2017. 214:1260–1266.

„New Green Chemistry” ist ein neuartiger Ansatz um mit Hilfe der Photosynthese organischen Kohlenstoff zu produzieren ohne dabei Biomasse zu bilden. Der organische Kohlenstoff kann dann als industrieller Rohölersatzstoff oder als Energieträger genutzt werden. Der Vorteil des biomassefreien Ansatzes ist die deutlich höhere erzielbare Effizienz vom Photon bis zum Produkt und der nahezu vollständige Verzicht auf energiereiche oder nur begrenzt verfügbare Pflanzennährstoffe. 

Dieses Thema wird in der Arbeitsgruppe SenProf. Christian Wilhelm bearbeitet.

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