Die Bedeutung von Carotinoiden und Vitamin A
Die weltweite Unterversorgung mit Vitamin A führt in Schwellen- und Drittländern zu erheblichen Gesundheitsproblemen, darunter Erblindung und erhöhte Sterblichkeit. Besonders betroffen sind Kinder, die aufgrund von Mangelernährung nicht ausreichend Vitamin A oder dessen Vorstufe Beta-Carotin aufnehmen.
Carotinoide sind für die charakteristische Farbe von Karotten und Süßkartoffeln verantwortlich. Beta-Carotin wird in der Lebensmittelindustrie als Farbstoff E160 in Produkten wie Softdrinks und Joghurts eingesetzt. Reis, ein Grundnahrungsmittel in Asien, enthält zwar kein Beta-Carotin im Korn, jedoch Carotinoide in den Blättern. Diese fettlöslichen Pigmente sind für die Photosynthese und andere pflanzliche Prozesse essenziell.
Mechanismus der Carotinoid-Synthese
Eine frühe Vorstufe des Beta-Carotins ist das farblose Phytoen. Dieses Molekül ist in der Lipid-Doppelschicht von Plastid-Organellen lokalisiert und wasserunlöslich. Das Enzym Phytoen-Desaturase (PDS) wandelt Phytoen in die nächste, gelbliche Synthesestufe um.
Freiburger Forschergruppen um Prof. Dr. Peter Beyer (Fakultät für Biologie) und Prof. Dr. Oliver Einsle (Fakultät für Chemie und Pharmazie) ist es gelungen, die dreidimensionale Struktur der PDS aus Reis zu entschlüsseln und den Mechanismus der Phytoen-Umwandlung aufzuklären. Dr. Sandra Gemmecker und Anton Brausemann isolierten und kristallisierten das Enzym hochrein, um mittels Röntgenbeugung ein dreidimensionales Strukturbild zu erhalten.
Dabei wurde festgestellt, dass PDS teilweise in die Lipid-Doppelschicht der Plastid-Organellen eintaucht und einen wasserabweisenden Kanal ins Innere des Enzyms besitzt. Durch diesen Kanal gelangt das Phytoenmolekül zum Reaktionszentrum, wo eine Hälfte des Phytoens in die nächste Carotinoid-Zwischenstufe umgewandelt wird. Das Zwischenprodukt verlässt den Kanal und tritt in ein benachbartes PDS-Enzym ein, wo die vollständige Umwandlung erfolgt. Ein Helfermolekül, ein Chinon, regeneriert das Enzym, indem es überschüssige Elektronen aufnimmt und es für weitere Umwandlungsrunden vorbereitet.
Bedeutung für Pflanzenschutz und Gentechnik
Eine Fehlfunktion der PDS, beispielsweise durch die Wechselwirkung mit einem Pflanzenschutzmittel, führt dazu, dass Pflanzensämlinge blass weißlich erscheinen und nach wenigen Tagen absterben. Die Suche nach den genauen Mechanismen der Carotin-Synthese war aufgrund der komplexen Zusammensetzung von Enzymkomplexen und ihrer geringen Konzentration in Pflanzenzellen lange Zeit schwierig.
Die Strukturaufklärung der PDS durch die Freiburger Wissenschaftler erfolgte mit einer Besonderheit: Am Reaktivzentrum befand sich ein Molekül des in den 1970er Jahren entwickelten Pflanzenschutzmittels Norflurazon, das während der PDS-Isolierung zugegeben wurde. Norflurazon deaktiviert PDS, was zum Bleichen und Absterben der Pflanze führt. Die Kenntnis der Position und Orientierung dieses Bleich-Herbizids im Enzym kann zukünftigen Forschern als Grundlage für die Entwicklung neuer Pflanzenschutzmittel zur Unkrautbekämpfung dienen.
Darüber hinaus ermöglicht diese Erkenntnis gezielte Veränderungen in der Enzymsequenz, um Nutzpflanzen mittels grüner Gentechnik einen Vorteil gegenüber Unkräutern zu verschaffen.