AG Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution

Evolution von Proteinen im Sekundärstoffwechsel (Projektgruppe Elisabeth Kaltenegger)

Die Evolution verstehen, das heißt auch: Verstehen, was die enorme pflanzliche Vielfalt hervorgebracht hat, die wir heute bewundern. Und auch: Diese Vielfalt besser schützen zu können. Denn die Erkenntnisse aus der Vergangenheit können für die Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Die molekularen Mechanismen der Evolution zu entschlüsseln, das ist das Ziel unserer Projektgruppe unter Leitung von Dr. Elisabeth Kaltenegger.

Als Modellorganismus wurden tropische Windengewächse (Convolvulaceae) ausgewählt, deren Verwandte als Zaun- oder Ackerwinde auch in Deutschland zu finden sind. An den tropischen Vertretern wird die Evolution der Enzyme erforscht, die für die Bildung spezieller pflanzlicher Giftstoffe verantwortlich sind – der Pyrrolizidin- und Tropan-Alkaloide (kurz: PAs und TAs). Beide Stoffe dienen dem Schutz vor Fraßfeinden. Doch während die meisten Arten TAs produzieren, liegen in nur wenigen PAs vor. Unsere Vermutung ist: Die TA-Synthese ist älter als die PA-Bildung. Dabei sind ihre Mechanismen sehr ähnlich.

Zwei Studenten und eine Tasse Kaffee

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Die beteiligten Enzyme eignen sich hervorragend für die Untersuchung der Evolution: Als Teil des Sekundärstoffwechsels unterliegen sie verhältnismäßig schnellen Veränderungen. Denn: Die Pflanzen müssen sich immer wieder an Herbivoren anpassen, die ihrerseits Wege finden, die pflanzlichen Abwehrstoffe erneut zu überlisten. Durch diesen Druck überleben langfristig nur solche Pflanzen, die dank neuer Mutationen Eigenschaften entwickelt haben, die Insekten abschrecken: Das ist Evolution.

Unsere Forschung untersucht einen wichtigen Mutationsvorgang der Evolution: Die Genduplikation. Durch sie entstanden Enzyme, die an der Bildung der oben genannten Alkaloide beteiligt sind. Für uns sind die folgenden Fragen interessant: Wie können neue Funktionen nach einer Genduplikation entstehen? Welche molekularen Mechanismen formen ein dupliziertes Gen? Genau das untersuchen wir anhand eines Schlüsselenzymes der PA-Biosynthese, der Homospermidin-Synthase (HSS), welches durch eine Genduplikation entstand und anschließend für eine neue Funktion rekrutiert wurde. Stück für Stück wollen wir die DNA der Winden-Vorfahren rekonstruieren. Damit soll gezeigt werden, welche Gen-Mutation in der HSS die Fähigkeit der PA-Biosynthese mit sich gebracht hat.

Zwei Studenten und eine Tasse Kaffee

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