Untersuchungen zur Bildung, Metabolisierung und Funktion von Apocarotinoiden in Cyanobakterien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Carotinoide dienen als Vorläufer von Hormonen und Signalstoffen, deren Biosynthese durch oxidative Spaltung eingeleitet wird. Diese Reaktion wird durch Carotinoid-Dioxygenasen katalysiert, kann aber auch unspezifisch durch reaktive Sauerstoffspezies stattfinden. In beiden Fällen entstehen sogenannte Apocarotinoide, die durch weitere Enzyme wie Aldehyd-Dehydrogenasn oder Cytochrome vom Typ 450 weitermodifiziert werden. In diesem Antrag wurden Studien zur Aufklärung solcher Prozesse in Cyanobakterien sowie deren biologischen Funktionen durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Elemente aufgedeckt, die das Vorhandensein eines mehrstufigen Apocarotinoid-Metabolismus implizieren. Überraschenderweise sind manche der geklärten Prozesse denen höherer Organismen, einschließlich Menschen, sehr ähnlich. Erhaltene Resultate deuten auf eine Rolle des Apocarotinoid-Metabolismus in der Antwort der Zelle auf oxidativen Stress, schließen aber eine mögliche Signalfunktion nicht aus. Hierbei gewonnene methodische Erkenntnisse wurden zur Klärung von ähnlichen Prozessen in Pilzen eingesetzt und führten zur Enträtselung der Biosynthese von Strigolactonen, die als Hormone und Signalmoleküle der Pflanzen dienen, und zur Identifizierung von Carlacton. Die Bildung von Carlacton enthüllte eine bis dato unbekannte enzymatische Aktivität und beweist, dass bestimmte Carotinoid-Dioxygenasen eine Kombination unterschiedlicher Reaktionen katalysieren können. Carlacton ist ein neues Signalmolekül, das durch die relativ einfache Struktur neue Möglichkeiten der Anwendung in Bekämpfung parasitischer Pflanzen, in der Kontrolle der Pflanzenarchitektur sowie der Interaktion der Pflanzen mit symbiontischen Pilzen eröffnet. Momentan werden Verwertungsmöglichkeiten exploriert. Die Entdeckung von Carlacton ist außerdem ein Meilenstein auf dem Gebiet der Strigolactone. Aus diesen Gründen erregte die Veröffentlichung hier erzielter Resultate ein sehr starkes öffentliches Interesse. Pressemitteilung der Universität Freiburg (21.03.2012): Freiburger Forscher decken grundlegende Schritte in der Biosynthese eines pflanzlichen Hormons auf. Mitteilung von Bio-Pro Baden-Württemberg (12.06.2012): Symbionten, Parasiten und ein neuer Hormon-Syntheseweg Carlactone, molecule of the month May 2012 (University of Bern) http://mom.dcb.unibe.ch/mom_pages/mom_2012-05.html
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009) In vitro characterization of the Synechocystis CYP120A1 revealed the first non-animal retinoic acid hydroxylase. FEBS J. 276, 5416-5431
Alder, A., Bigler, P., Werck-Reichhart, D. & Al-Babili, S.
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(2009) Ustilago maydis accumulates β-carotene at levels determined by a retinal-forming carotenoid oxygenase. Fungal Genet. Biol. 46, 803-813
Estrada, A.F., Brefort, T., Mengel, C., Díaz-Sánchez, V., Alder, A., Al-Babili, S. & Avalos, J.
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(2010) The Mycobacterium tuberculosis ORF Rv0654 encodes a carotenoid oxygenase mediating central and excentric cleavage of conventional and aromatic carotenoids. FEBS J. 277, 4662–4673
Scherzinger, D., Scheffer, E., Bär, C., Ernst, HG. & Al-Babili, S.
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(2011) Cleavage oxygenases for the biosynthesis of trisporoids and other apocarotenoids in Phycomyces. Mol. Microbiol. 82, 199-208
Humberto R. Medina, H.R., Cerdá-Olmedo, E. and Al-Babili, S.
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(2011) The gene carD encodes the aldehyde dehydrogenase responsible for neurosporaxanthin biosynthesis in Fusarium fujikuroi. FEBS J. 278, 3164-3176
Díaz-Sánchez, V., Estrada, A.F., Trautmann, D., Al-Babili, S. & Avalos, J.
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(2012) The path from β-carotene to carlactone, a strigolactone-like plant hormone. Science 335, 1348-1351
Alder, A., Jamil, M., Marzorati, M., Bruno, M., Vermathen, M., Bigler, P., Ghisla, S., Bouwmeester, H., Beyer, P. & Al-Babili, S.
