Frühe archaische Herkunft von Photosystem II

Photosystem II ist ein photochemisches Reaktionszentrum, das die lichtgetriebene Oxidation von Wasser zu molekularem Sauerstoff katalysiert. Die Wasseroxidation ist die charakteristische photochemische Reaktion, die die Evolution der oxygenen Photosynthese und den letztendlichen Aufstieg der Eukaryoten ermöglichte. Zu welchem Zeitpunkt in der Geschichte des Lebens ein ancestrales Photosystem die Fähigkeit zur Oxidation von Wasser entwickelte, bleibt weiterhin unbekannt. Hier untersuchen wir die Evolution der zentralen Reaktionszentrum-Proteine von Photosystem II unter Verwendung von Sequenz- und Strukturvergleichen in Kombination mit bayesianischen relaxierten molekularen Uhren. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein homodimeres Photosystem mit ausreichender Oxidationskraft, um Wasser zu spalten, bereits im frühen Archean vor etwa einer Milliarde Jahren erschienen war, lange bevor der letzte gemeinsame Vorfahren aller beschriebenen Cyanobakterien, die zu oxygenen Photosynthese fähig sind, existierte, und weit vor der Diversifizierung einiger bekannter Gruppen von anoxygenen photosynthetischen Bakterien. Basierend auf einer strukturellen und funktionalen Begründung vermuten wir, dass dieses frühe archaische Photosystem in der Lage war, Wasser zu Sauerstoff zu oxidieren und bereits Schutzmechanismen gegen die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies entwickelt hatte. Dies würde primordiale Formen der oxygenen Photosynthese in einem sehr frühen Stadium der evolutionären Geschichte des Lebens verorten.