Crema dela Crème: Herstellung von Designer-Heteromannanen in Hefe und Pflanzenzellwänden

• Antragsteller: Professor Dr. Catalin Voiniciuc
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Genetik und Genomik der Pflanzen ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414353267

Kohlenhydrate sind grundlegend für alle lebenden Zellen. So werden Pflanzenzellen von kohlenhydratreichen Wänden umgeben, somit gestärkt und können so in einer Vielzahl von Umwelteinflüßen überleben. Da pflanzliche Zellwand-Polysaccharide den Großteil der pflanzlichen Biomasse ausmachen, stellen sie die am häufigsten vorkommende Quelle für nachwachsende Rohstoffe auf diesem Planeten dar. Dennoch ist über den Mechanismus der Polysaccharid Kettenverlängerung und den Prozess der Seitenkettensubstitution wenig bekannt. Pflanzenzellwände bestehen hauptsächlich aus Zellulose-Mikrofibrillen, die durch Hemizellulose und in geringerem Maße Pektin vernetzt sind. Die molekulare Interaktion dieser verschiedenen Polysaccharid-Klassen bestimmen die biomechanischen Eigenschaften der Zellwand. Heteromannan (HM) gilt als die phylogenetisch älteste Hemizellulose und kommt im gesamten Pflanzenreich vor. Trotz ihrer weiten Verbreitung wurde die Biosynthese von HM-Polysacchariden im Vergleich zu anderen Pflanzenzellwandkomponenten nur grob untersucht. Die weltweite Nachfrage nach HM, welches aus Pflanzensamen extrahiert wird, ist in den letzten Jahren aufgrund seiner Nützlichkeit als umweltfreundliches Verdickungsmittel in Nahrungsmitteln, Kosmetika und in vielen anderen Industrien beträchtlich gestiegen. Darüber hinaus verbessert HM als Hauptbestandteil der Crema auf Espresso die Textur des von Millionen Menschen weltweit konsumierten Kaffees.Die Genomik hat die Identifizierung mehrerer HM-BiosyntheseGene ermöglicht, welche aber noch funktionell charakterisiert werden müssen. Ich werde synthetische Biologiewerkzeuge verwenden, um mechanistische Einblicke in die HM-Biosynthese zu erhalten. Hefezellwände weisen keine Hemizellulosen auf, können jedoch genetisch so verändert werden, dass sie große HM-Mengen akkumulieren, indem sie Pflanzenglykosyltransferasen exprimieren. Ich beabsichtige daher, die Biosynthese von Pflanzen-HM zu entschlüsseln, indem ich Hefe-Gentechnik mit hochmodernen, biochemischen Analysen der Zellwandstruktur kombiniere. Ich werde dazu die Schlüsselproteine, die für die HM-Produktion benötigt werden, charakterisieren, und untersuchen, wie sie zusammen interagieren, indem ich nacheinander das HM-Rückgrat in Hefe aufbaue und darauf spezifische Seitenketten aufbaue. Ich werde mir dann die Entwicklung des Pflanzensamens zu Nutze machen, um maßgeschneiderte HM-Strukturen in planta zu akkumulieren, um die Entdeckungen in Hefe zu validieren und zu erforschen, wie strukturell umgestaltete Hemizellulosen die Architektur und die Eigenschaften der Pflanzenzellwand beeinflussen. Mit diesem Projekt werde ich daher grundlegende Lücken in der Pflanzenbiologie angehen und synthetische HM-Polymere in Hefe- und Pflanzenzellwänden synthetisieren, deren Struktur und Funktion für die Herstellung wertvoller Materialien von spezifischen industriellen Anwendungen zugeschnitten werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen