Elsholz, Paul (2020)
Studien zur physiologischen Relevanz der hAQP1 vermittelten CO2 Membrandiffusion.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011309
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das humane Aquaporin 1 ist ein membranständiges Protein, welches als Homotetramer vorliegt und so einen Komplex mit mehreren Poren in der Membran bildet. Eine Funktion dieses Komplexes ist die Erleichterung des passiven Transports von Wasser über die Membran. Eine alternative Funktion, der CO2 Transport, wird schon seit den 1990er Jahren diskutiert und ist v.a. auf Grund des fehlenden Nachweises physiologischer Relevanz umstritten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der CO2 Transport über hAQP1 in künstlichen Systemen und nach Expression im pflanzlichen Organismus untersucht.

Bei sättigender Lichtintensität wird die Photosynthese durch die Verfügbarkeit von CO2 im Chloroplastenstroma limitiert. Die heterologe Expression von hAQP1 in Tabak war ausreichend, um diese Limitierung zu verschieben. Die Pflanzen zeigten eine 30 %ige Steigerung der Photosyntheserate, welche mit der verbesserten Diffusion von CO2 im Pflanzengewebe erklärt werden konnte.

Diese verbesserte Diffusion von CO2 im Pflanzengewebe wurde durch Analyse der CO2 Aufnahme auf zellulärer Ebene bestätigt. Das Expressionsniveau von hAQP1 der transgenen Pflanzen wurde mit q RT PCR und immunchemischem Nachweis ermittelt. hAQP1 konnte in der Plasmamembran sowie in den Chloroplasten transgener Pflanzen nachgewiesen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Verbesserung der Wasserpermeabilität sowie die Erhöhung der CO2 Aufnahmerate der untersuchten Zellen positiv mit dem Expressionsniveau von hAQP1 korrelieren.

Um die beobachteten Effekte der heterologen hAQP1 Expression in Tabak auf eine Funktionseigenschaft des Proteins zurückzuführen, wurde hAQP1 hinsichtlich des vermittelten CO2 Transports in einem streng kontrollierten System mit dem Aquaporin NtAQP1, welches über eine bekannte CO2-Transportfunktion verfügt, und dem Aquaporin NtPIP2;1, welches den Wassertransport erleichtert, verglichen. Hierfür wurden alle drei Proteine in einem synthetischen, zellfreien System exprimiert und in eine Kunstmembran, welche keine messbare CO2 Permeabilität besitzt, eingebaut. Bei der Untersuchung des CO2 Flusses über die so hergestellten Membranen konnte gezeigt werden, dass hAQP1 und NtAQP1 in diesem isolierten System in gleichem Maße die Membrandiffusion von CO2 ermöglichen, während der Einbau eines reinen Wassertransporters wie NtPIP2;1 zu keiner messbaren CO2 Diffusion über die Kunstmembran führt.

Die Auswirkungen des hAQP1 vermittelten CO2 Transports konnten somit von der molekularen, über die zelluläre und schließlich bis hin zur physiologischen Ebene in Tabak demonstriert werden.

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