AG Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution

Evolution der Pyrrolizidin-Alkaloid-Biosynthese

Mehrere hundert verschiedene Giftstoffe, ein bislang fast komplett unbekannter Produktionsweg und schwer zu händelnde Substanzen: Der Versuch, den Herstellungsweg der Pyrrolizidin-Alkaloide (auch als PA abgekürzt) komplett zu verstehen, ist von zahllosen Herausforderungen geprägt. Aber: Diese Biosynthese zu verstehen, könnte die gezielte Züchtung von Arzneipflanzen bedeutend voranbringen und die Gefährlichkeit von Pflanzen, etwa dem Jakobskreuzkraut, besser einschätzbar machen.

Diese Ziele sowie die Frage, wie die Fähigkeit zur Bildung dieser Gifte in bestimmten Pflanzengruppen entstehen konnte, verfolgen wir, ein Team aus Biologen, Biochemikern und Pharmazeuten der Arbeitsgruppe Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution in unserer Forschung. Keine leichte Aufgabe, denn bislang ist überhaupt nur ein Schritt des PA-Herstellungsweges bekannt: Am Anfang steht die sogenannte Homospermidin-Synthase, die mit der chemischen Verbindung Homospermidin das erste Zwischenprodukt auf dem Weg zum Pyrrolizidin-Alkaloid herstellt, am Ende stehen die Toxine. Unbekannt ist, wie viele Zwischenstufen es überhaupt bei der Herstellung der Pyrrolizidin-Alkaloide gibt.

Ziel ist es nun weitere Syntheseschritte besser zu verstehen, wie zum Beispiel den zweiten Schritt – die Veränderung des Homospermidins zu einer bisher unbekannten Zwischenstufe. Da es mehr als 600 verschiedene Strukturen der PAs gibt und einige dieser im Labor nur schwer nachweisbar sind, ist diese Forschung sehr aufwendig. Im Labor werden hierzu Gewebe der die Alkaloide produzierenden Pflanzen zerkleinert, um anschließend die an der Alkaloidbildung beteiligten Enzyme nachzuwesien und zu isolieren. Im Reinigungsprozess fällt dabei zunächst die große Vielfalt an Proteinen an, die in einer lebendigen Zelle zu finden ist. Aus diesen muss das richtige Molekül anhand seiner Löslichkeit, Größe und Ladung herausgesucht werden. Die berühmte Nadel im Heuhaufen ist nichts dagegen, zumal die Proteine selbst unter Laborbedingungen leicht denaturieren. Mit Hilfe von Bakterien – genauer: Escherichia coli – wird das gesuchte Protein später exprimiert und kann so biochemisch charakterisiert werden. In diesem Projekt sind die Methoden der Biochemie, Molekularbiologie und Naturstoffanalytik fast ebenso vielfältig wie die Sturkturen der Pyrrolizidin-Alkaloide.

Teilprojekte:

Biochemische Charakterisierung der Acetohydroxysäuresynthase von Pyrrolizidinalkaloiden des Lycopsamintyps