Detalierte Analysen der Oberflächenstrukturänderungen von Stärkegranula

• Antragsteller: Professor Dr. Joerg Fettke
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417600839

Der Stärkeabbbau wird durch einen Phosphorylierungs/Dephosphorylierungs Zyklus gesteuert, bei dem zunächst die Oberfläche der Stärkegranula durch die α-Glukan, Wasser Dikinase (GWD) und die Phosphoglukan Wasser Dikinase (PWD) phosphosphorliert wird. Dadurch wird die Oberflächenkristallinität herabgesetzt und die hochgeordenten Glukanketten des Amylopektins in einen löslichen Zustand überführt. Diese solubilisierten Glukanketten stellen geeignete Substrate für Hydrolasen wie β-Amylasen und Isoamylasen dar, dabei ist die orchestrierte Aktion der Phosphatasen SEX4 und LSF2 obligatorisch. Bisher ist wenig bekannt über die Regulation dieser Vorgänge an der Stärkegranulaoberfläche. Gleichzeitig bleibt auch im Detail ungeklärt wie die Oberflächenstrukturen/-eigenschaften die am Stärkestoffwechsel beteiligten Enzyme beeinflussen und vice versa wie diese Oberflächeneigenschaften/Morphologie der Granula im Detail durch die Aktion bestimmter Proteine/Enzyme verändert werden. Für das kürzlich identifizierte Protein ESV1, welches für die Abbaurate der Stärke während der Dunkelphase wesentlich ist, konnte in in vitro Studien gezeigt werden, dass es den Dikinasen-vermittelten Phosphateinbau verändert. Ebenso trat dieser Effekt bei dem untersuchten Homolog LESV auf. Dabei wurde gefunden, dass diese Effekte nicht durch Protein-Protein-Interaktionen verursacht werden, sondern vielmehr durch die Bindung von ESV1 und LESV an die Stärkegranulaoberfläche. Es konnte gezeigt werden, dass sich die beiden Proteine in ihrer Glukanbindungsspezifität unterscheiden, so bindet ESV1 bevorzugt an Amylopektin und LESV an Amylose. Ein Einfluss von ESV1 und LESV auf weitere am Stärkemetabolismus beteiligte Enzyme wie BAM, ISA, SEX4, PHS1, and SS1 wurde ebenfalls bestätigt. Jedoch ist der exakte molekulare Hintergrund unklar. In diesem Antrag soll dieser Mechanismus mit Hilfe von unterschiedlichen experimentellen Ansätzen und unter Berücksichtigung folgender Hauptziele im Detail analysiert werden. (1) Die Bestimmung der Glukanstrukturen, die von ESV1 und LESV gebunden werden, sowie welcher Proteinbereich für die beobachteten Effekte auf die am Stärkestoffwechsel involvierten Enzyme verantwortlich ist. (2) Die Untersuchung weiterer am Stärkemetabolismus beteiligter Enzyme/Proteine die durch ESV1 und LESV beeinflusst werden. (3) Analyse des Phosphorylierungsmusters von GWD und PWD aus verschiedenen Spezies und der Einfluss von ESV1 und LESV auf dieses Muster. (4) Die Analyse der Oberflächenstrukturcharakteristika von Stärkegranula in verschiedenen Mutanten während des Tageszyklus und Alterungsprozesses, sowie die Struktureigenschaften welche die Granulamorphologie, Größe und Größenverteilung beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen