Abstract

The engineering of renewable and sustainable protein-based light-to-energy converting systems is an emerging field of research. Here, we report on the development of supramolecular light-harvesting electrodes, consisting of the redox protein cytochrome c working as a molecular scaffold as well as a conductive wiring network and photosystem I as a photo-functional matrix element. Both proteins form complexes in solution, which in turn can be adsorbed on thiol-modified gold electrodes through a self-assembly mechanism. To overcome the limited stability of self-grown assemblies, DNA, a natural polyelectrolyte, is used as a further building block for the construction of a photo-active 3D architecture. DNA acts as a structural matrix element holding larger protein amounts and thus remarkably improving the maximum photocurrent and electrode stability. On investigating the photophysical properties, this system demonstrates that effective electron pathways have been created.

Highlights

  • Photosystem I (PSI) aus dem thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus ist ein transmembraner Protein-Pigment-Superkomplex der photosynthetischen Elektronentransportkette

  • The crystal structure was solved to a resolution of 3,4 ̊A, no electron density corresponding to Cytochrom c aus Pferdeherz (Cyt cHH) was found

  • To verify the PSICyt c6 complex, the two proteins were crosslinked and the structure was solved by cryo electron microscopy to a resolution of 2,9 ̊A

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Summary

Cyanobakterien

In der Schule lernen wir, dass die Luft, die wir atmen, aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 1 % Argon und 0,04 % Kohlenstoffdioxid besteht. Mit Erscheinen der Cyanobakterien stieg die Sauerstoffkonzentration drastisch an und das Leben, wie wir es heute kennen, konnte entstehen. Heute sind Cyanobakterien eine große Gruppe mit 300 Gattungen und mehr als 4000 isolierten Stammen (Shestakov und Karbysheva 2017; Maidak et al 2001). PCC 6803, welches sich durch eine naturliche Kompetenz fur gentechnische Modifikationen eignet, und die Gattungen Prochlorococcus und Synechococcus, welche mit 1026 bis 1027 Zellen die bedeutsamsten Primarproduzenten der Erde sind (Flombaum et al 2013). Entgegen seinem Gattungsnamen handelt es sich hierbei nicht um eine KTwo.obkeekloien,dgesarotnuHsdienirnwnediusemrauLfeitisenerianStetuarTbahclhesremn”t,ohpdehramihlieoerpihhdinelerreiZSnuydsneauetctzhigo”cveoolconcnugsseaitenuloesnn“g.vaiBteuliess“n2mb0e0ez1seoipwchhunirleedtne, Namensvettern wie Synechococcus elongatus PCC 7942 abgrenzte. Mit Hilfe von Elektroporation kann genetisches Material in die Zelle eingeschleust und ins Chromosom eingebaut werden (Nakamura et al 2002)

Photosynthese
Die photosynthetische Elektronentransportkette
Lokalisation der Proteine
Cytochrom c6 und Plastocyanin
Photosystem I
PHOTOSYSTEM I
Aufbau des Photosystems I
Ladungstrennung und Elektronentransport
Elektronentransfer von Plastocyanin und Cytochrom c6 auf Photosystem I
Strukturaufklarung des Photosystems I
Kleinwinkelstreuung
Rontgenbeugung am Kristall
Elektronenmikroskopie
Theoretische Analyse
BIOTECHNOLOGISCHE ANWENDUNG DES PHOTOSYSTEMS I
Biotechnologische Anwendung des Photosystems I
Ziel der Arbeit
Puffer
Cytochrom c
Gelelektrophorese
BN-PAGE
SDS-PAGE
Western Blot
Sauerstoffreduktion
P700-Reduktion
ISOTHERME TITRATIONSKALORIMETRIE
Isotherme Titrationskalorimetrie
DYNAMISCHE LICHTSTREUUNG
Dynamische Lichtstreuung
PSITRI-CYT CHH-KOMPLEXBILDUNG IN LO SUNG
PSItri-Cyt cHH-Komplexbildung in Losung
Rontgenkleinwinkelstreuung
Neutronenkleinwinkelstreuung
2.10.1 Theorie
2.10. KRISTALLSTRUKTURANALYSE
2.10.2 Theorie
2.10.3 Durchfuhrung
2.10.4 Durchfuhrung
2.10.5 Durchfuhrung
2.10.6 Durchfuhrung
2.10.7 Durchfuhrung
2.11 Elektronenmikroskopie
2.11.1 Vorbereitung der Proben
2.11.2 Datenauswertung
2.12.1 Theorie
2.12.2 Durchfuhrung: rigid-body docking
2.12.3 Durchfuhrung
ISOLATION UND CHARAKTERISIERUNG DER PROTEINE
Cytochrome
PSI-CYT C-INTERAKTION
PSI-Cyt c-Interaktion
PSI-Reduktionsraten
Einfluss des Oxidationszustands
Theoretische Analyse des Elektronentransferkomplexes
Analyse der PSI-Struktur
ANALYSE DER PSI-STRUKTUR
Komplexbildung in Losung
Kristallisation des PSItri
PSI-Cyt cHH-Komplexbildung im Kristall
Struktur des PSI-Cyt c6-Komplexes in Losung
Geometrie des trimeren PSI
Ist die K M eine K D?
Ionenstarke und pH
Oxidationszustand der Cytochrome
Die Cytochrom c-Bindungsstelle des Photosystems I
Unspezifische Bindungsstellen
Die spezifische Bindungsstelle des Komplexes
Komplexbildung fur Strukturanalyse
Strukturanalyse der PSI-Cyt c-Bindungsstelle
Vergleich der Methoden
Elektronentransport in PSI
PsaK bindet assoziierte Proteine
Exzitonentransfer von Antennenproteinen zu PSI
Asymmetrie im PSI-Trimer
Wassermolekule in der PSI-Struktur
Findings
Literatur

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