A hydrogenase-like activity associated with mitochondrial Complex I under hypoxia in vascular plants

Seit Jahrzehnten wissen Biologen, dass Pflanzen, genau wie Tiere, auf ein komplexes internes Netzwerk angewiesen sind, um Nahrung in Energie umzuwandeln. Dieser Prozess benötigt normalerweise Sauerstoff, der als letzter Schritt dient, der es den Zellen ermöglicht, Brennstoff effizient zu verbrennen. Wenn jedoch Sauerstoff knapp ist, etwa wenn die Wurzeln einer Pflanze unter Wasser stehen, gerät dieses Standard-System ins Stocken. Ohne Sauerstoff, der die verbrauchten Elektronen aufnimmt, läuft die Energiekette der Zelle Gefahr, sich aufzustauen, was einen gefährlichen Rückstau chemischer Signale erzeugt, der die Pflanze schädigen kann. Seit mehr als sechzig Jahren beobachten Wissenschaftler, dass höhere Pflanzen unter diesen sauerstoffarmen Bedingungen winzige Mengen an molekularem Wasserstoffgas freisetzen. Doch die Quelle dieses Gases blieb ein Rätsel. Die Frage war nicht nur, woher das Gas kam, sondern wie eine Pflanzenzelle, der es an den spezialisierten Enzymen fehlt, die in Bakterien zur Wasserstoffproduktion vorhanden sind, es überhaupt erzeugen konnte. Das Verständnis dieses Mechanismus ist entscheidend, da es offenbart, wie Pflanzen Stress überstehen und ihr internes chemisches Gleichgewicht bewahren, wenn die Luft, die sie benötigen, nicht verfügbar ist.

Ein Forschungsteam hat diese schwer fassbare Wasserstoffproduktion nun auf einen spezifischen Ort innerhalb der Pflanzenzelle zurückverfolgt: die Mitochondrien, die Kraftwerke, die Energie erzeugen. Durch die Untersuchung junger, im Dunkeln gezogener Keimlinge der Mungobohne fanden die Wissenschaftler heraus, dass diese Gewebe begannen, Wasserstoffgas anzuhäufen, wenn sie in sauerstoffarme Umgebungen mit leicht sauren Bedingungen gebracht wurden. Diese Aktivität war nicht zufällig; sie war eng mit einer massiven Proteinmaschine bekannt als Komplex I verknüpft, einer zentralen Komponente des respiratorischen Systems der Pflanze. Als die Forscher eine Chemikalie hinzufügten, die Komplex I blockiert, stoppte die Wasserstoffproduktion fast augenblicklich. Weitere Tests zeigten, dass der Prozess vom Fluss der Elektronen durch andere Teile des Energiesystems abhing, insbesondere unter Beteiligung eines Pools von Molekülen, die Elektronen transportieren, sowie der letzten Schritte, in denen Sauerstoff normalerweise in die Kette eintritt. Die Daten deuteten darauf hin, dass die Pflanze spezifische Brennstoffquellen nutzt, wie etwa solche, die ein Molekül namens NADH erzeugen, um diese Reaktion voranzutreiben.

Die bemerkenswerteste Entdeckung war das schiere Ausmaß des produzierten Wasserstoffs. Die Menge an Wasserstoffgas, die durch das Pflanzengewebe erzeugt wurde, war weitaus größer als die gesamte Menge des Brenstoffmoleküls NADH, die zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Zelle verfügbar war. Tatsächlich war der kumulative Wasserstoffausstoß etwa hundertmal größer als der gemessene NADH-Pool. Diese Diskrepanz deutet darauf hin, dass die Zelle nicht einfach nur einen statischen Brenstoffvorrat aufbraucht. Stattdessen recycelt die Zelle ihre Ressourcen ständig. Die Forscher schlagen ein Modell vor, bei dem zwei Versionen der Komplex-I-Maschine zusammenarbeiten. Eine Version, die reife Form, hilft dabei, den Brenstoffvorrat zu regenerieren, indem sie Elektronen in die entgegengeste Richtung bewegt – ein Prozess, der normalerweise Energie erfordert, hier aber durch den Aufbau anderer Chemikalien angetrieben wird. Die zweite Version, ein etwas anderes oder umgestaltetes Stadium derselben Maschine, fungiert als Sicherheitsventil. Sie nimmt den regenerierten Brenstoff und nutzt ihn zur Erzeugung von Wasserstoffgas, wodurch der chemische Rückstau effektiv geleert und Schäden verhindert werden.

Dieser Mechanismus bietet eine neue Erklärung dafür, wie Pflanzen mit Stress umgehen, ohne schädliche Nebenprodukte zu erzeugen. Bei Tieren führt das Erzwingen einer Rückwärtsbewegung der Elektronen durch die Energiemaschinerie oft zur Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies, also instabiler Moleküle, die Zellen schädigen können. Die Forscher vermuten, dass die Pflanze durch die Ableitung dieser Elektronen in Wasserstoffgas diesen gefährlichen Aufbau vermeidet. Die Wasserstoffproduktion dient als Auslass, der es der Zelle ermöglicht, ihre internen chemischen Kreisläufe auch dann reibungslos am Laufen zu halten, wenn Sauerstoff fehlt. Während die genauen Schritte, wie der Wasserstoff auf atomarer Ebene gebildet wird, noch kartiert werden, deutet die Evidenz auf einen spezifischen Zweig innerhalb der Komplex-I-Maschine hin, der die Kapazität besitzt, diese Chemie auszuführen. Dieser Befund legt nahe, dass die evolutionäre Geschichte dieser Energiemaschinen tiefer geht als bisher angenommen und eine latente Fähigkeit zur Wasserstoffproduktion besitzt, die erst unter spezifischen Bedingungen zum Vorschein kommt. Die Studie behauptet nicht, jedes Detail des Prozesses gelöst zu haben, stellt aber fest, dass diese Wasserstoffproduktion eine reale, regulierte Funktion des mitochondrialen Systems der Pflanze ist, die einen lebenswichtigen Fluchtweg für Elektronen bietet, wenn der normale Pfad blockiert ist.