Ein Schalter zum Ein- und Ausschalten von Düften

Ein Schalter zum Ein- und Ausschalten von Düften

Forscher entdecken Schlüssel zur Massenproduktion von nützlichen Pflanzenstoffen

LA JOLLA – Wissenschaftler des Salk Institute und der Purdue University haben den Schalter in Pflanzen entdeckt, der die Produktion von Terpenoiden einstellt – kohlenstoffreiche Verbindungen, die eine Rolle in der Pflanzenphysiologie spielen und von Menschen in allem verwendet werden, von Duft- und Aromastoffen bis hin zu Biokraftstoffen und Pharmazeutika.

Pflanzliche Terpenoide finden sich in Nahrungsergänzungsmitteln, natürlichen Insektiziden und Medikamenten zur Behandlung von Malaria und Krebs. Das Chemotherapeutikum Taxol, das zur Behandlung von Brust-, Eierstock-, Lungen-, Blasen- und Prostatakrebs eingesetzt wird, ist ein pflanzliches Terpenoid. Doch Pflanzen produzieren sie oft in so geringen Mengen, dass die Extraktion für solche Zwecke kostspielig und oft unpraktisch ist.

Die Ergebnisse wurden im Journal Natur-Pflanzen am 20. August 2018.

“Vor mehreren Jahren entdeckte mein Labor ein neues Enzym, das in allen Pflanzen vorkommt und Isopentenylphosphatkinase (IPK) heißt und den Fluss von lebenden, kohlenstoffbasierten Molekülen, den Terpenoiden, reguliert. Wie es in der Wissenschaft oft der Fall ist, enthüllten wir zunächst die Rolle dieses Enzyms in völlig anderen Organismen, Bakterien und einer sehr alten Lebensform, den Archaeen”, sagt Professor Joseph P. Noel, Direktor des Salk Jack H. Skirball Center for Biology and Proteomics, Investigator des Howard Hughes Medical Institute und Co-Korrespondenzautor der Veröffentlichung. “Durch die Aufklärung der dreidimensionalen Struktur und Chemie dieses Enzyms, wie in dieser Veröffentlichung berichtet, ACS Chemical Biology und eLife Im Jahr 2010 bzw. 2013 enthüllten wir, dass ein bisher unbekanntes Gen, das in allen Pflanzen vorkommt, für dasselbe Enzym kodiert, das ursprünglich in Mikroben entdeckt wurde.”

Da Terpenoide erhebliche Mengen an Kohlenstoff und Energie in Pflanzen verbrauchen, wurde erkannt, dass ihre Entstehung streng kontrolliert werden muss, damit sie nur dann produziert werden, wenn sie für den Wirt (Bakterium oder Pflanze) wichtig sind.

Für die Arbeit tat sich das Noel-Labor mit dem Labor des Co-Korrespondenzautors zusammen Natalia Dudareva, Purdue Distinguished Professor im Institut für Biochemie und Forscher an der Purdue Zentrum für Pflanzenbiologie, um zu entschlüsseln, wie Pflanzen Stoffwechselwege ein- und ausschalten, die den Fluss der Terpenoidproduktion steuern, indem sie die Verfügbarkeit ihrer chemischen Ausgangsmaterialien regulieren.

Das Salk-Purdue-Team hatte zuvor herausgefunden, wie Pflanzen die Terpenoidproduktion einschalten. Das Verständnis von “Ein” und “Aus” – den Yin-und-Yang-Schaltern – sowie der Engpässe für den Fluss ist jedoch unerlässlich, um die Terpenoidausbeute zu verstehen und schließlich zu optimieren.

“Dies ist wichtiges Grundwissen, das neue Ziele für die Ingenieurwissenschaften von Terpenoid-Stoffwechselwegen eröffnet”, sagt Dudareva. “Pflanzen produzieren diese Verbindungen bereits, aber in geringen Mengen. Es kann Hunderte oder Tausende von Pflanzen gedauert haben, um genügend einer Verbindung zu gewinnen, um sie für etwas wie ein Arzneimittel zu verwenden. Diese neue Reihe von unerwarteten Entdeckungen wird zu schnelleren und effizienteren Wegen führen, um ausreichende Mengen dieser Produkte zum Nutzen des Menschen zu erhalten.”

IPKs wandeln chemische Pools von inerten Monophosphat-Terpenoid-Bausteinen in leicht verwendbare Diphosphat-Bausteine um. Mit einem vielschichtigen Ansatz, der Strukturbiologie, Biochemie, Pflanzen Genetik und synthetische Biologie umfasst, stellte das Forschungsteam fest, dass zwei Nudix-Enzyme die fehlenden Bindeglieder waren, die für die Entfernung einer Phosphatgruppe verantwortlich sind, um die aktiven Terpenoid-Diphosphate in den inerten Pool von Terpenoid-Monophosphaten zurückzuführen.

“Die Nudix-Hydrolase-Enzymfamilie ist in allen Organismen konserviert, doch ihre biologischen Rollen sind weitgehend undefiniert. Hier decken wir eine unerwartete und neue Funktion für Mitglieder dieser Familie bei Pflanzen auf”, bemerkt die Co-Erstautorin Suzanne Thomas, eine Postdoktorandin im Noel-Labor.

“Wir haben gezeigt, dass IPK und Nudix zusammenarbeiten, um die nachgeschaltete Bildung von Terpenoidprodukten zu regulieren”, sagt die Co-Erstautorin Laura Henry, frisch promovierte Doktorandin aus Dudarevas Labor und jetzt analytische Chemikerin bei Heritage Research Group. “Einige dieser Produkte können für die Pflanzen toxisch sein, wenn die Pflanzen zu viel davon produzieren. So regulieren die Pflanzen ihre Produktion.”

Weitere Autoren waren Joshua R. Widhalm, Joseph H. Lynch, Thomas C. Davis und Sharon A. Kessler von der Purdue University sowie Jörg Bohlmann von der University of British Columbia.

Die Arbeit wurde vom USDA National Institute of Food and Agriculture, der Purdue University, dem Howard Hughes Medical Institute und dem Arthur and Julie Woodrow Chair am Salk Institute finanziert.