Resonanz-Ramanspektroskopie an Carotinoiden in Algen zur Bestimmung der Kinetik des Violaxanthinzyklus

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die erste gelungene Bestimmung der Kinetik des Violaxanthinzyklus in vivo auf Basis von Resonanz-Ramanspektroskopie. Der Violaxanthinzyklus ist ein Regelmechanismus der Photosynthese und besteht aus zwei Farbstoffen, Violaxanthin und Zeaxanthin, die über den Zwischenschritt Antheraxanthin ineinander umgewandelt werden können. Während Violaxanthin beim Sammeln von Sonnenlicht hilft und die absorbierte Energie ans Chlorophyll weitergibt, strahlt Zeaxanthin überschüssige Energie aus dem Chlorophyll als Wärme ab. Durch Umwandlung von Violaxanthin in Zeaxanthin und umgekehrt können Pflanzen das Verhältnis von gesammelter und wieder abgestrahlter Lichtenergie einstellen und somit die Effizienz ihrer Photosynthese regeln und sich vor Stress durch zu viel Licht schützen. Wie der Violaxanthinzyklus funktioniert, wurde bislang durch die chemische Untersuchung abgeschnittener und schnell eingefrorener Blätter untersucht. Wie schnell die Pflanzen auf wechselnde Lichtverhältnisse reagieren, ließ sich mit den chemischen Verfahren jedoch nur sehr schwer und unter großem Aufwand bestimmen. In dieser Arbeit ist durch Kombination von Resonanz-Ramanspektroskopie mit Hauptkomponentenzerlegung und einem insbesondere für die Verwendung an stark fluoreszierenden biologischen Proben neu entwickelten Grundlinienkorrekturalgorithmus die Beobachtung der Umwandlung von Violaxanthin in Zeaxanthin und zurück in vivo gelungen. Experimente zur Bestimmung der Kinetik beim abrupten Wechsel von Dunkel nach Hell und von Hell nach Dunkel wurden an der Grünalge Dunaliella salina durchgeführt. Die Zeitkonstanten für den Hell-Dunkel-Übergang liegen dabei je nach experimentellen Bedingungen zwischen 39 ± 8 und 46 ± 4 Minuten. Für den Dunkel-Hell-Übergang wurde eine Zeitkonstante von 3,2 ± 1,0 Minuten bestimmt. Außerdem wurden die Resonanzprofile von Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis und Porphyridium purpureum in verschiedenen Stresszuständen bestimmt und in Bezug auf den Violaxanthinzyklus und die Produktion sekundärer Carotinoide diskutiert. Die Entwicklung eines Algenreaktors nach dem Airlift-Prinzip vervollständigt diese Arbeit.