Was kann eine Mathematikerin schon über Pflanzen sagen?

Sinnvoll konstruierte mathematische Modelle sind ein mächtiges Werkzeug um organisatorische Prinzipien, die biologische Systeme steuern, zu entschlüsseln. Sie können verschiedenste Formen annehmen, je nachdem welche Fragestellung zugrunde gelegt wird, sie werden jedoch immer ein vereinfachtes Bild der Realität darstellen (Abb. 1). Sie können die Komplexität reduzieren, indem sie z.B. nur Reaktionen betrachten, die sehr schnell ablaufen (in Sekunden, wie Ladungstrennung) oder nur diejenigen die ganze Jahrzehnte dauern (wie bei der Evolution). Sie können nur einen Prozess verdeutlichen oder aber ein ganzes Netzwerk. Die wahre Herausforderung liegt darin, das Modell auf eine minimale Anzahl an Reaktionen zu reduzieren, die aber ausreicht um das eigentliche System zu erforschen.
Aus diesem Grund ähnelt das Modell, das ich gerade entwickle, von der Struktur her einer Konstruktion aus Lego-Steinen, welche je nach Fragestellung vergrößert oder verkleinert werden kann.

Nach unserem bisherigen Verständnis der Photosynthese können wir die einzelnen Vorgänge in zwei Bereiche aufteilen, die Reaktionen, die mit der Absorption von Licht beginnen und mit der Herstellung von ATP enden (häufig als Lichtreaktionen bezeichnet), und die Reaktionen, bei denen die Energie aus ATP und Reduktionsäquivalenten verwendet wird, um über die Kohlenstofffixierung Zucker, also Energie herzustellen.

Um ein genaues Modell aufzustellen, aus dem wir ablesen können, wie Änderungen in der Lichtenergie die Photosyntheseeffizienz im Bezug auf die Herstellung von Biomasse beeinflussen, beginnen wir deswegen sehr klein, indem wir zunächst betrachten, wie das Licht absorbiert wird und zu ATP und NADPH umgewandelt wird. Wir begrenzen die Zeitskala auf Reaktionen, die in Sekunden bis Minuten ablaufen, den Ort auf Reaktionen, die in der Thylakoidmembran (im Chloroplasten) ablaufen, und damit limitiert sich die Anzahl der Unbekannten auf 6 (Basis Modell aus Ebenhöh et al. 2014). Dieses einfache Modell wird uns schon ein paar Einblicke geben wie das System funktioniert, wird aber keine Erkenntnisse über photoprotektive Mechanismen vermitteln, weil diese nicht im Modell enthalten sind. Dafür können wir kleine zusätzliche Gleichungen konstruieren, welche die Mechanismen widerspiegeln, die für die optimale Energieverteilung verantwortlich sind (sogenannte “State Transitions“), unsere Parameter erweitern (wir müssen auch wissen, wie schnell manche Reaktionen ablaufen) und die Anzahl der Variablen ändern. In ähnlicher Weise können wir weiter kleine Bausteine hinzufügen und so detailliertere Prozesse mit einbeziehen oder irrelevante entfernen und letztendlich die Lichtreaktionen mit der Kohlenstofffixierung kombinieren.

Wenn “der Turm“ erst mal steht, kann man beliebig mit den verschiedenen Kombinationen spielen: Einfluss von Lichtüberschuss auf Pflanzen, denen die Gene fehlen um Wärmeenergie abzustrahlen: den roten Baustein wegnehmen. Untersuchen, wie die Pflanze die Zuckerproduktion verändert, wenn wir ihre Fähigkeit zur Lichtverteilung erhöhen: Parameter im grünen Baustein wegnehmen. Den gleichen Vorgang in Pflanzen untersuchen, die effizienter Kohlenstoff fixieren können: den dunkelgrünen Baustein gegen einen anderen austauschen.

Meine Arbeit wird gefördert vom Marie Curie iTN Accliphot der Europäischen Kommission im Rahmen des 7. Rahmenprogramms (SP3-People) mit der Fördernummer PITN-GA-2012-316427.

Beitrag von Anna Matuszyńska, Institut für Quantitative und Theoretische Biologie, HHU