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13.05.13 Biosynthese von 4-Hydroxy-2,5-dimethylfuran-3-on (Furaneol) aufgeklärt

Warum die Erdbeere nach Erdbeere riecht

Die molekularen Grundlagen des Erdbeeraromas

Es ist Erdbeerzeit: Rot und saftig liegen die Früchte in den Auslagen der Märkte. Das Obst wird hierzulande immer beliebter: 2012 verzehrten die Deutschen pro Kopf 3,5 Kilogramm Erdbeeren – ein Kilogramm mehr als noch vor zehn Jahren. Wie das typische Aroma der Früchte entsteht, hat jetzt ein Team von Wissenschaftlern an der Technischen Universität (TUM) aufgeklärt.

Abb. 1: Die Vorstufe des HDMF-Geruchstoffs (Kohlenstoff in Orange, Sauerstoff in Rot) bindet an das Enzym FaEO (grün). Das Co-Enzym NADPH, hier als mehrfarbiges Stabmodell dargestellt, liefert die erforderlichen Elektronen für die Bildung von HDMF, die prägende Aromakomponente reifer Erdbeeren.
Quelle: André Schiefner, Technische Universität München

Wie Nahrungsmittel schmecken, liegt nicht allein am Geschmackssinn: Zwar erkennt die Zunge Geschmackskomponenten wie süß, sauer, salzig, bitter und umami (herzhaft). Doch zu einem „runden“ Geschmackserlebnis tragen vor allem Gerüche bei – wie das Beispiel der Erdbeere zeigt. Das unverwechselbare Aroma der Gartenerdbeere setzt sich aus etwa einem Dutzend verschiedener Geruchsstoffe zusammen. Dabei sticht eine Komponente besonders heraus: HDMF (4-Hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanon), auch unter dem Markennamen Furaneol bekannt.

Abb. 2: Struktur von 4-Hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanon

Warum das so ist, erklärt Prof. Wilfried Schwab vom TUM-Fachgebiet Biotechnologie der Naturstoffe, der bereits seit mehreren Jahren an der biologischen Bildung dieser Substanz forscht: „In der reifen Erdbeere ist der Mengenanteil dieses Aromastoffes mit bis zu 50 Milligramm pro Kilogramm besonders hoch und liegt damit um einige Größeneinheiten über dem Geruchsschwellenwert. Es verleiht dem Aroma der reifen Früchte seinen karamellartigen Charakter.“

Außer in Erdbeeren kommt HDMF auch in der Ananas und in der Tomate vor. Die Pflanzen bilden das Aroma in mehreren Schritten aus dem Fruchtzucker (Fructose). „Uns interessierte insbesondere der abschließende Biokatalyse-Schritt zum fertigen Aroma“ berichtet Prof. Arne Skerra vom TUM-Lehrstuhl für Biologische Chemie. Dabei bindet eine Molekül-Vorstufe an das Enzym FaEO (Fragaria x ananassa Enon-Oxidoreduktase), das die Verbindung in das Endprodukt HDMF umwandelt.

Analyse offenbart neuen Syntheseweg

Den TUM-Wissenschaftlern gelang es, diesen Reaktionsweg im Detail abzubilden. Um zu verstehen, wie Enzyme die Biosynthese derartiger neuer Stoffwechsel-Produkte katalysieren, wenden sie das Verfahren der Röntgen-Strukturanalyse an. Damit lassen sich Moleküle letztlich dreidimensional darstellen. „Für das Erdbeeraroma haben wir wie bei einem Puzzlespiel sechs verschiedene Enzym-Molekül-Konstellationen durchgespielt – und so schließlich verstanden, wie FaEO den HDMF-Aromastoff herstellt“, so Dr. André Schiefner vom Lehrstuhl für Biologische Chemie.

Abb. 3: Die Detailsicht der Substratbindetasche (graue halbtransparente Oberfläche) zeigt die Übertragung zweier Elektronen von NADPH auf die Vorstufe des HDMF-Geruchsstoffs. Dabei entsteht die Aromasubstanz HDMF.
Quelle: André Schiefner, Technische Universität München

Während dieser Untersuchungen stellten die Wissenschaftler fest, dass es sich bei der katalytischen Reaktion um einen bisher noch nicht bekannten Mechanismus handelt. Die Verbindung wird reduziert, dabei werden Elektronen zielgerichtet auf eine bestimmte Stelle des Moleküls übertragen. Das Enzym FaEO ist damit erster Vertreter einer neuen Klasse von Biokatalysatoren, was möglicherweise auch interessante Anwendungen in der industriellen (weißen) Biotechnologie eröffnet.

Die aktuelle Forschungsarbeit liefert den Weihenstephaner Wissenschaftlern wertvolle Informationen zur Geschmacksbildung der verbreiteten Kulturpflanze, wie Skerra ausführt: „Im Gegensatz zu Kaffee und Vanille sind die biochemischen Prozesse beim Erdbeeraroma sehr komplex – jetzt hat unser TUM-Team einen wichtigen Syntheseschritt geklärt.“ Damit könnte das echte Erdbeeraroma schon bald biosynthetisch aus Fruchtzucker gewonnen werden, beispielsweise um Getränke oder Lebensmittel wie Joghurt zu verfeinern..

Quelle:

Structural basis for the enzymatic formation of the key strawberry flavor compound 4-hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone
A. Schiefner, et. al., J. Biol. Chem. 2013. DOI: 10.1074/jbc.M113.453852

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Biosynthese von 4-Hydroxy-2,5-dimethylfuran-3-on (Furaneol) aufgeklärt
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2013mai/erdbeeraroma.shtm)

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