Ein Molekül faltet sich zum Sonnensegel

23. März 2012

Prof. Dr. Harald Paulsen und seine Mitarbeiter erforschen die Eigenschaften des Lichtsammlerproteins LHCII. Dieses Protein mit seiner ungewöhnlichen Fähigkeit zur Selbstorganisation fasziniert den Biologen seit zwanzig Jahren. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Photosynthese und könnte eines Tages die Effizienz von Solarzellen gravierend erhöhen.

Über seine Forschung zu reden, das ist Prof. Dr. Harald Paulsen nicht lästig - im Gegenteil. Selbst einem Laien erklärt er geduldig und mit viel Elan, worum es geht. "Ich gebe gern unsere Faszination weiter und freue mich, wenn der Funke überspringt", sagt der geschäftsführende Leiter des Instituts für Allgemeine Botanik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Im Fokus seiner Arbeitsgruppe, der AG Paulsen, steht das Lichtsammlerprotein LHCII. Diese wichtige Komponente im Photosyntheseapparat der Pflanzen verrät den Wissenschaftlern viel über die Strukturen des Lebens und sie könnte in der Zukunft helfen, effektivere Solarzellen zu bauen.

"Wir betreiben hier einerseits Grundlagenforschung, arbeiten andererseits aber auch anwendungsorientiert", erklärt Paulsen. Wobei er in Sachen Anwendung immer mal wieder den Enthusiasmus einiger Mitarbeiter bremst. "Wir sind noch nicht an dem Punkt, wo wir sagen können: 'In zehn Jahren werden wir kommerzielle Solarzellen herstellen.' Manche wollen gern solche publikumswirksamen Äußerungen hören, aber ich finde, das erhöht nicht unbedingt unsere Akzeptanz."

Die Grundlage des Lebens

Paulsen nimmt ein Stück Kreide zur Hand, seine Bürotür lässt sich als Tafel benutzen, und so beginnt der Ausflug in seine Forschung mit einer schnellen Skizze zur Photosynthese. "Hier haben Sie eine Pflanze. Sie nutzt das Sonnenlicht, um aus Kohlendioxid Zucker herzustellen. Dies ist die Grundlage des Lebens."

Das von Paulsen und seinen Mitarbeitern untersuchte LHCII arbeitet genau an dieser Grundlage mit. Es findet sich in den Membranen der Pflanzen. "Der Photosyntheseapparat einer Pflanze wird bei strahlendem Sonnenschein alle zehn bis hundert Sekunden von einem Lichtpaket getroffen. Die Ausbeute würde nicht ausreichen, um sie am Leben zu erhalten. Dafür braucht sie einen Lichtsammelapparat, eine Art Sonnensegel." LHCII bildet solch ein Sonnensegel. Mit ihm steigt die Lichtausbeute um das Hundertfache. Um zu funktionieren, bindet das Lichtsammlerprotein vierzehn Chlorophyll- und vier Karotinoidmoleküle, also insgesamt achtzehn Farbstoffmoleküle.

LHCII faltet sich selbstständig

"Das Besondere an LHCII ist, dass wir es im Reagenzglas zusammensetzen können. Selbst wenn wir die Proteinkomponente vollständig verknäulen, faltet es sich wieder richtig. Und wir können es sogar herstellen. Wir bringen Bakterien dazu, uns das LHCII-Protein zu produzieren, indem wir ihnen die entsprechenden Gene einpflanzen." So entsteht ein Eiweißklumpen. Wenn die Wissenschaftler ihm die richtigen Farbstoffmoleküle zuführen, faltet er sich zum Sonnensegel. Dieser Grad an Selbstorganisation ist ungewöhnlich und für die Forscher höchst reizvoll.

"Uns treibt der Wunsch, zu verstehen: Wie muss ein Protein gebaut sein, um so etwas tun zu können und wodurch ist es in der Lage, die Hälfte seiner Eigenmasse in Form von Farbstoffen, von Pigmenten, zu binden? Es ist faszinierend, dass eine komplexe biologische Struktur sich so organisieren kann." Hier setzt ein beinahe schon spielerisches Moment der Forschung an. "Wir schneiden systematisch Bereiche heraus oder hängen andere dran, um zu schauen, was passiert. Das hat was von einem Kind, das eine Maschine verstehen will und dafür erst ein Zahnrad ausschaltet, dann ein anderes."

Solarzellen und Pflanzenzellen

Schon Mitte der 1980er-Jahre beschäftigte sich Paulsen als Postdoc an der Harvard University mit LHCII. Losgelassen hat es ihn bis heute nicht. "Wir verstehen das Lichtsammlerprotein besser als vor zehn Jahren", sagt er. Aber es gibt immer noch viel zu forschen - gerade wenn es darum geht, das Sonnensegel für die Energiegewinnung zu nutzen.

"Solarzellen und Pflanzenzellen sind sich viel ähnlicher als man denken sollte", sagt Paulsen. "Beide wandeln Sonnenenergie in andere Energie um. LHCII sammelt Lichtenergie, es bündelt sie." Das wäre eine ideale Eigenschaft für elektrochemische Solarzellen. Der Schweizer Chemiker Michael Grätzel patentierte 1992 eine elektrochemische Zelle, die "Grätzel-Zelle". Sie ist bereits im Einsatz. Paulsen und seine Mitarbeiter stellen sich nun die Frage: Wie wäre es, wenn sie da ihr Sonnensegel anbringen könnten?

Forschung über Fachgrenzen hinaus

Paulsen hat sich einen Tee eingeschenkt und erzählt von den Schwierigkeiten seiner Arbeit. "Wir können das Objekt unserer Forschung nicht sehen, wir können LHCII nicht beim Falten beobachten." Also müssen technische Geräte her, die Veränderungen messen. Das geht zum Beispiel per Fluoreszenzspektroskopie. "Komplexe Forschung dieser Art ist immer eine Teamarbeit", betont Paulsen. "In unserem Fall hat diese gemeinsame Arbeit etwas sehr Beglückendes." Das gilt nicht nur innerhalb der AG Paulsen. Über Fachgrenzen hinaus beschäftigt LHCII Fachleute aus verschiedenen Bereichen der Materialwissenschaften, auch Mathematiker, Chemiker und Physiker sind mit im Spiel.

Paulsen selbst bedauert ein wenig, dass er angesichts seiner vielfältigen Ämter und Verpflichtungen selbst nur noch selten ins Labor kommt. "Ich tue nicht mehr das, was ich mir eigentlich mal vorgenommen habe: dass ich weiter aktiv experimentiere. Dafür müsste ich mir aber mindestens mal einen halben Tag Zeit nehmen." Das ist ihm kaum möglich.

Öffentlichkeit soll an Faszination teilhaben

Aber selbst jenseits der Labortüren spürt er immer noch: "Auch nach zwanzig Jahren übt LHCII eine ungeheure Faszination aus." Dass es bei dieser Forschung kompliziert zugeht, gehört für Paulsen dazu. "Ein bisschen schwierig muss es schon sein", meint er lächelnd, "sonst wären unsere Studenten enttäuscht."

Trotzdem ist er davon überzeugt, dass sich alles einfach erklären lassen sollte, denn: "Die Öffentlichkeit finanziert unsere Forschung, also soll sie an der Faszination teilhaben." Und darum kümmert er sich immer wieder gern, auch bei einem engen Terminkalender.