One of most important processes in nature is the harvesting and dissipation of solar energy with the help of light-harvesting complex II (LHCII). This protein, along with its associated pigments, is the main solar-energy collector in higher plants. We aimed to generate stable, highly controllable, and sustainable polymer-based membrane systems containing LHCII-pigment complexes ready for light harvesting. LHCII was produced by cell-free protein synthesis based on wheat-germ extract, and the successful integration of LHCII and its pigments into different membrane architectures was monitored. The unidirectionality of LHCII insertion was investigated by protease digestion assays. Fluorescence measurements indicated chlorophyll integration in the presence of LHCII in spherical as well as planar bilayer architectures. Surface plasmon enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) was used to reveal energy transfer from chlorophyll b to chlorophyll a, which indicates native folding of the LHCII proteins.

Der Lichtsammelkomplex II (LHCII) hçherer Pflanzen ist eines der häufigsten Membranproteine.E in LHCII-Protein bindet 14 Chlorophyll-(acht Chl a,s echs Chl b)u nd 4Caro-tinoidmoleküle.[1] LHCII fungiert als Antennenkomplex und ist eines der wenigen Membranproteine,d ie spontan in vitro rückgefaltet werden kçnnen;a llerdings kommt es dabei zu einer ungerichteten, zufälligen Insertion in die entsprechende Membranumgebung.[2-4] LHC II ist ein interessantes Untersuchungsobjekt in der Membranproteinforschung und hat eine mçgliche biotechnologische Bedeutung als "Organisator" von Farbstoffen im Kontext von nachhaltigen, robusten und effizienten Solarzellen.[5] Bisherige LHCII-bezogene Ansätze sind abhängig von der Verfügbarkeit von Detergenzgereinigten LHC-Proteinen, die in relativ instabilen Lipidmembranen ohne Vorzugsrichtung rekonstituiert werden oder aus Isolaten von Thylakoidextrakten stammen. [6,7] Die In-vitro-Membran-unterstützte (assisted) Proteinsynthese (iMAPS), auch als "zellfreie" Expressionsstrategie beschrieben, in Kombination mit künstlichen Membranmaterialien wird von uns als eine robuste und zuverlässige Te chnik für eine De-novo-Synthese von Membranproteinen vorgestellt, wie es für GPCRs, [8] Claudin-2 [9] und weitere sehr verschiedenartige Membranproteine [10,11] bereits gezeigt wurde.J üngste Versuche,k onventionelle Lipidmembranen durch Polymermembranen zu ersetzen, ergeben eine weitere interessante Perspektive,d ad ie Letztgenannten definierte, reproduzierbare und vor allem chemisch und physikalisch robuste Membranarchitekturena ufweisen.[12] Wirh aben uns für Polymermembranen aus amphiphilen Diblockcopolymeren entschieden, da diese in wässriger Umgebung Lipidmembran-ähnliche Doppelschichten bilden.[12-14] Die Polymermembranen sind leicht variierbar in Bezug auf ihre Dicke, Durchlässigkeit und Steifheit gemäß der Auswahl an unterschiedlichen Polymerbausteinen.[14] Die Verwendung der zellfreien Proteinsynthese mit diesen Polymermembranen ermçglicht die De-novo-Synthese von Membranproteinen in eine Membranarchitektur,m it dem Vorteil, dass diese frei vom Einfluss zellulärer Regulationsmechanismen ist und die Membranproteine keiner Detergenz-basierten und damit denaturierenden Aufreinigungsprozedur ausgesetzt werden. [9,11,15,16] Hier zeigen wir den gerichteten Einbau von funktionalem LHCII und LHCII-Pigment-Komplexen, eingebaut in so genannte Polymersomen (sphärische Polymervesikel) sowie aus dem gleichen Material bestehende,a ber planar auf einer festen Oberfläche organisierten Polymer-Doppelschichten. Das Verfahren der zellfreien Proteinsynthese führt anschließend zu einem cotranslationalen, gerichteten LHCII-Einbau in diese polymeren Membranstrukturen, wie wir es bereits für ein anderes Proteinbeispiel beschrieben haben.[