Limonoide und Quassinoide - Verstehen und Manipulieren der Biosynthese und des Transports von komplexen Triterpenen in Pflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Jakob Franke
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426196231

Pflanzliche Naturstoffe werden seit Jahrtausenden vom Menschen genutzt, viele davon sind heutzutage immer noch unentbehrliche Arzneimittel. In manchen Fällen sind pflanzliche Naturstoffe jedoch unerwünscht, weil sie bitter oder giftig sind. Es ist daher höchst erstrebenswert, den Naturstoff-Metabolismus von Pflanzen zu manipulieren, etwa um größere Mengen wertvoller Substanzen zu erzeugen oder unerwünschte Verbindungen aus bestimmten Pflanzenteilen zu entfernen. Dieses sogenannte metabolische Engineering ist heutzutage prinzipiell möglich. Der Schlüssel für effizientes Engineering ist allerdings ein besseres Verständnis über die Prozesse, über die pflanzliche Naturstoffe gebildet und transportiert werden, was gerade bei chemisch komplexen Naturstoffen oft fehlt. Das Ziel dieses Projekts ist es, derartiges Wissen am Beispiel der Limonoide und Quassinoide zu erlangen. Limonoide und Quassinoide sind höchst attraktive Ziele für metabolisches Engineering. Diese biogenetisch verwandten Triterpene werden vor allem in Zitrus-Pflanzen (Rutaceae) bzw. in Bittereschengewächsen (Simaroubaceae) gebildet. Der bekannteste Vertreter der Bittereschengewächse ist der Götterbaum (Ailanthus altissima), eine weltweit verbreitete invasive Art. Limonoide sind verantwortlich für den bitteren Geschmack von Zitrusfrüchten, während Quassinoide aufgrund ihrer phytotoxischen Eigenschaften vom Götterbaum zur Eliminierung von Konkurrenzpflanzen abgesondert werden. Andererseits besitzen Limonoide wie Quassinoide auch erwünschte Eigenschaften: Viele Limonoide sind potente Insektizide oder antiretrovirale Mittel; Quassinoide sind mögliche Herbizide und besitzen teils antitumorale Eigenschaften. In diesem Projekt soll untersucht werden, wie Limonoide und Quassinoide gebildet und transportiert werden, um die Grundlagen zu schaffen für eine bessere Ausnutzung der positiven sowie eine Vermeidung der negativen Eigenschaften. Dies soll über drei Teilprojekte erreicht werden: 1) Aufklären der biochemischen Basis der Limonoidbildung. Dabei sollen relevante Biosynthesegene aus Zitruspflanzen identifiziert werden. 2) Untersuchen und Manipulieren des Limonoid-Transportsystems. Transporter werden durch Gensilencing identifiziert, biochemisch in einem Oocyten-Expressionssystem charakterisiert und mittels fluoreszierender Substratanaloga näher untersucht. 3) Erstellen eines räumlich aufgelösten Profils der Quassinoid-Produktion im Götterbaum. Dazu werden Metabolom- und Transkriptomdaten aus verschiedenen Geweben erhoben und analysiert. Dieses Projekt wird ein besseres Verständnis über die Bildung und den Transport von Limonoiden und Quassinoiden schaffen und Möglichkeiten zeigen, wie diese Prozesse für metabolisches Engineering eingesetzt werden könnten. Insgesamt wird das Projekt helfen, das Wissen über Pflanzenbiochemie und den pflanzlichen Sekundärmetabolismus zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen