Designing starch: harnessing carbohydrate polymer synthesis in plants

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Ebenhöh; Professor Dr. Robert Field, Ph.D.; Professor Dr. Samuel C. Zeeman
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262977426

Stärke ist ein natürliches Produkt der moisten Pflanzen und Algen mit bemerkenswerten Eigenschaften. Es besteht aus zwei Glukose-Polymeren: Amylose, ein vorwiegend lineares Polymer aus alpha-1,4 gelinkten Glukoseeinheiten, und Amylopektin, welches wegen zusätzlicher alpha-1,6 Verzweigungen eine baumartige Struktur besitzt. Die einfachen Bausteine (ein Monomertyp und zwei Bindungstypen) steht im Gegensatz zur komplexen, hochgeordneten Struktur, in welcher kristalline und amorphe Ebenen alternieren. Diese Struktur gibt Stärke seine einzigartigen Eigenschaften, die in der enorm hohen Energiespeicherdichte resultieren, die von außerordentlicher Bedeutung für die menschliche Nahrung ist. Trotz Dekaden intensiver Forschung ist es noch unverstanden, wie genau die Biogenese initiiert und durchgeführt wird. Obwohl relative wenige Enzyme beteiligt sind, ist es unklar, wie deren Aktivitäten koordiniert werden, um die strukturellen Eigenschaften zu regulieren. Unser Projektziel ist es, ein grundlegendes Verständnis der Regulation und Koordination der biophysikalischen und biochemischen Prozesse zu erlangen, die zur Synthese der komplexen polymeren Struktur der Stärke führen. Mit diesem Verständnis werden wir die Synthese von Stärke in vitro rekonstituieren und lernen, die physikalischen und chemischen Eigenschaften gezielt zu steuern. Durch Expression von stärkesynthetisierenden Enzymen in Hefe, einem Organismus, der nativ keine Stärke produziert, werden wir Stärken mit gewünschten Eigenschaften in vivo produzieren. Schließlich wird die Erkenntnis verwendet, um Pflanzen zu modifizieren, so dass sie Stärke mit vordefinierten Eigenschaften produzieren. Um unser Ziel zu erreichen vereinen wir bottom-up und top-down Ansätze mit synthetisch- und theoretisch-biologischen Aktivitäten. Wir werden die Komponenten des Stärkesynthesesystems systematisch untersuchen, indem alle involvierten Enzyme in vitro charakterisiert werden, um deren spezielle Funktionsweise zu verstehen (WP1). Aus diesen Daten werden mathematische Modelle (WP4) entwickelt, um die kooperative Aktivität mehrerer Enzyme und synthetischer Pathways vorherzusagen (WP2&3). Die Charakterisierung der Komponenten (WP1) wird für die Synthese von Stärke in Hefe (WP2) verwendet. Steuerbare Promoter ermöglichen die Regulation von Enzymmengen, was wiederum die Feinsteuerung der unlöslichen Polymerprodukte erlaubt, wodurch Modellvorhersagen überprüft werden (WP4) und die Grundlage für die Pflanzentransformation geschaffen wird (WP3). Zusammenfassend werden wir systemweites Verständnis der Synthese des komplexen Stärkepolymers schaffen und Designstrategien implementieren, um Stärken mit erwünschten Eigenschaften in vitro und in vivo zu produzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Schweiz