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11.08.09 Lässt sich Strigolakton-Biosynthese durch Wirkstoffe beeinflussen?

Steuerung der Pflanzenhormonproduktion könnte Lebensmittelknappheit verringern

Wiener Forscher nutzen Methoden der chemischen Biologie, um Wirkstoffe zu finden, die Produktion von Strigolaktonen anregen oder hemmen

Der Pflanzenforscher Tobias Sieberer von den Max F. Perutz Laboratories der Universität Wien beleuchtet in seiner Forschungsarbeit die Kommunikation von Pflanzenzellen durch eine neu identifizierte Klasse von Hormonen, den so genannten Strigolaktonen. Auf der Suche nach chemischen Substanzen, die diesen Signalweg gezielt beeinflussen können, etabliert er eine Screening-Plattform die das Testen tausender verschiedener Moleküle ermöglicht.

Generelles Schema für Strigolaktone - Eine Gruppe von Pflanzenhormonen, deren Biosynthese ins Interesse der Wiener Forscher gerückt ist

Strigolaktone sind Pflanzenhormone, die erstmals beim Befall des pflanzlichen Parasits "Striga" entdeckt wurden. Nur Pflanzen, die Strigolaktone bilden, werden von den Parasiten befallen und zugrunde gerichtet. Strigolaktone ermöglichen es Pflanzen darüber hinaus, mit Pilzen Symbiosen eingehen zu können, um dadurch um zusätzliche Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. Die dritte derzeit bekannte Wirkung erzielen Strigolaktone bei der Ausbildung von Sprossverzweigungen. Hemmt man die Bildung des Strigolakton-Hormon, steigt die Zahl der Sprossverzweigungen im Experiment. Eine gezielte Steuerung aller drei bekannten Wirkungen der Strigolaktone hätte hohes Potential in landwirtschaftlichen Anwendungen. Gerade in Ländern mit Lebensmittelknappheit könnte Parasitenbefall verhindert und der Ertrag erhöht werden. Weiters ist die Verzweigungsrate von Kulturpflanzen ein wichtiges Züchtungsmerkmal, das Quantität und Qualität der Ernte massiv beeinflusst.

Auf der Suche nach einer Substanz mit gezielter Wirkung

"Wir wollen Substanzen finden, die die Strigolakton-Wirkung entweder blockieren oder anregen, um sie danach gezielt je nach Bedarf einzusetzen", beschreibt Tobias Sieberer das interdisziplinäre Projekt, das vom WWTF gefördert wird. Sieberer und seine Projektpartner Gang Dong von den Max F. Perutz Laboratories und Gerhard Ecker vom Department für medizinische Chemie der Universität Wien wählen einen innovativen Ansatz: Virtuelles und reelles High-throughput Screening (HTS) einer Vielzahl an chemischen Substanzen. Gang Dong ist Strukturbiologe und wird die 3D-Struktur der Proteine des Strigolakton-Biosynthesewegs aufklären. In Gerhard Eckers virtueller Datenbank von 3D- Strukturen bekannter kleiner Moleküle werden die Proteinmodelle auf mögliche Inhibitoren durchsucht. Mit dieser eingeschränkten Auswahl an strukturell passenden Inhibitor-Kandidaten werden im Anschluss weitere Funktionstests in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) gemacht.

Ein zweiter Ansatz zur Suche nach Wirkstoffen wird mit Hilfe der Arabidopsis-Pflanze durchgeführt. "Das Projekt ermöglicht die Anschaffung einer chemischen Bibliothek mit über 30.000 strukturell unterschiedlichen Molekülklassen. Wir lassen die Pflanzen in Gegenwart je einer dieser Substanzen unter Laborbedingungen wachsen", erläutert der Pflanzenforscher seinen Teil des Projektes. Die Labor-Version der Ackerschmalwand trägt ein so genanntes Reportergen. Beeinflusst die chemische Substanz die Strigolaktone in der Pflanze, dann gibt das Reportergen ein Zeichen ab, die Pflanze fluoresziert.

Fluoreszenzreporter (grüne Fluoreszenz) zur Detektion der Strigolaktonaktivität in der Modellpflanze Arabidopsis.
Quelle: Tobias Sieberer, Uni Wien

Bakterium hilft bei Pflanzenforschung

Auch das Bakterium Escherichia coli machen sich die Wissenschafter auf ihrer Suche nach der Substanz zur Strigolakton-Steuerung zu Nutze. Ein Laborstamm des Bakteriums produziert Betakarotin, ein Farbstoff der u.a. in Karotten vorkommt, und wächst daher als orange Kolonie. Mit Hilfe molekularbiologischer Techniken bringen die Forscher die Proteine der Strigolakton-Biosynthese in das Bakterium ein. Sind die Proteine aktiv, erkennen sie das Betacarotin als Substrat und bauen es ab und die Escherichia coli-Kolonien bleiben farblos. Nun testen die Forscher wieder verschiedene chemische Substanzen in Gegenwart der Bakterien. Inhibitor-Moleküle der Strigolakton-Biosynthese sind an den deutlich orangen Kolonien zu erkennen, denn die Aktivität der Biosyntheseproteine ist durch die chemische Substanz unterdrückt, die Bakterien häufen wieder Betakarotin an und werden orange.

Ergebnisse des interdisziplinären Projekts für Grundlagenforschung und Anwendung wichtig

Das Projekt ermöglicht somit die Etablierung der österreichweit ersten akademischen Einrichtung, die die Anwendung einer solch umfassenden chemischen Bibliothek erlaubt. In pharmazeutischen Unternehmen sind Bibliotheken dieser Art routinemäßig für die Medikamentensuche in Verwendung. Für ForscherInnen in öffentlichen Einrichtungen ist deren Nutzung jedoch kostenintensiv und erzielte Forschungsergebnisse unterliegen komplizierten Patentbestimmungen. "Unsere Datenbank soll interessierten Wissenschaftern aus dem Wiener Raum in Form von Kooperationen zur Verfügung stehen", erläutert Sieberer die Möglichkeit auch viele andere Modellorganismen mit dieser Bibliothek zu erforschen. Ergebnisse dieser Arbeit dienen sowohl der Grundlagenforschung als auch der angewandten Forschung. Im Falle des Strigolakton-Projekts bedeutet dies, dass die gefundenen Inhibitoren zur weiteren Erforschung der Grundmechanismen der Biosynthese und Signalweiterleitung der Hormone eingesetzt werden. Aber auch in der angewandten Forschung kann so ein Weg gesucht werden, um mit den Substanzen gezielt den Verzweigungsgrad der Sprossen oder etwa der Infektionsrate von Parasiten zu beeinflussen.

Kontakt:

Dr. Tobias Sieberer
Max F. Perutz Laboratories
Department für Mikrobiologie, Immunbiologie
und Genetik der Universität Wien
1030 Wien, Dr. Bohr-Gasse 9
T +43-1-4277-749 37
tobias.sieberer [at] univie.ac.at

Bitte zitieren Sie die Seite wie folgt:

Lässt sich Strigolakton-Biosynthese durch Wirkstoffe beeinflussen?
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2009/aug/pflanzenhormone.shtm)

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