Wegbereiter für Vitamin A in Reis

Die Unterversorgung mit Vitamin A in Nahrungsmitteln bedingt weltweit gesundheitliche Probleme, die zu Erblindung oder gar zum Tod führen können. Betroffen sind in Schwellen- und Drittwelt-Ländern vor allem Kinder, die aufgrund von Mangelernährung zu wenig Vitamin A oder dessen Vorstufe Beta-Carotin zu sich nehmen. Carotinoide sorgen auch für die markante Farbe der namensgebenden Karotten oder der Süßkartoffel, weswegen Beta-Carotin von der Lebensmittelindustrie als Lebensmittelfarbe E160 gerne zur Farbgestaltung von Softdrinks, Joghurts und anderen Nahrungsmitteln verwendet wird. Reis, dem wichtigsten Grundnahrungsmittel Asiens, fehlt zwar das Beta-Carotin im Korn, in den Blättern sind allerdings Carotinoide vorhanden. Die Pflanze nutzt diese langen, fettlöslichen Pigmente in der Photosynthese, bei der Energie und Sauerstoff erzeugt werden, aber auch für andere Prozesse.

Eine der ersten Vorstufen von Beta-Carotin ist das noch farblose Phytoen, das sich in der Lipid-Doppelschicht von Plastid-Organellen – also in der äußeren Hülle dieser abgeschlossenen Zellbereiche, die unter anderem an der Photosynthese beteiligt sind – befindet und nicht in Wasser löslich ist. Es wird von dem Enzym Phytoen-Desaturase (PDS) in die nächste, bereits gelbliche Synthesestufe umgearbeitet. Freiburger Forscherinnen und Forschern aus den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Peter Beyer an der Fakultät für Biologie und Prof. Dr. Oliver Einsle an der Fakultät für Chemie und Pharmazie ist es nun gelungen, die dreidimensionale Struktur der Phytoen-Desaturase aus Reis und mithin den Mechanismus der Phytoen-Umwandlung aufzuklären. Dazu mussten Dr. Sandra Gemmecker und Anton Brausemann das Enzym hochrein isolieren und kristallisieren, um durch Beugungsexperimente mit Röntgenstrahlen ein dreidimensionales Strukturbild zu erhalten. Dabei stellten sie fest, dass PDS teilweise in die Lipid-Doppelschicht der Plastid-Organellen eintaucht und ein wasserabweisender Kanal in das Innere des Enzyms weist. Über diesen Kanal findet in einem ersten Schritt das Phytoenmolekül den Weg zum Reaktionszentrum des Enzyms, an dem die Umwandlung einer Hälfte des Phytoens zur nächsten Carotinoid-Zwischenstufe stattfindet. Nachdem das Zwischenprodukt den Kanal auf demselben Weg wieder verlassen hat, tritt es in ein weiteres, direkt benachbartes PDS-Enzym ein und wird dort vollständig umgewandelt. Die Regeneration des Enzyms übernimmt ein Helfermolekül, ein so genanntes Chinon, das in denselben Kanal eingeschleust wird, überschüssige Elektronen aufnimmt und somit das Enzym für die nächste Runde der Umwandlung vorbereitet.

Funktioniert PDS in einer Pflanze nicht richtig, beispielsweise durch Wechselwirkung mit einem Pflanzenschutzmittel, sehen die Sämlinge der Pflanze nicht mehr grün, sondern blass weißlich aus und die Pflanze geht nach wenigen Tagen ein. Bereits seit dem frühen 20. Jahrhundert suchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit in Pflanzenextrakten nach immer genaueren Mechanismen der Carotin-Synthese, doch wegen der komplizierten Zusammensetzung verschiedener Enzymkomplexe und ihrer relativ geringen Anzahl in den Pflanzenzellen gestaltete sich die Suche schwierig. Die Strukturaufklärung des Enzyms PDS gelang den Freiburger Wissenschaftlern mit einer Besonderheit: Am Reaktivzentrum befand sich ein Molekül des in den 1970er Jahren entwickelten Pflanzenschutzmittels Norflurazon, das bei der PDS-Isolierung zugegeben wurde. Durch die Anwesenheit von Norflurazon wird PDS deaktiviert und steht für die wachsende Pflanze nicht mehr zur Verfügung, was zum Bleichen der Pflanze und ihrem Absterben führt. Die Position und Orientierung dieses Bleich-Herbizids im Inneren des Enzyms kann somit künftigen Forschern die Grundlage für neue Pflanzenschutzmittel zur Bekämpfung von Unkraut bieten. Zudem ist es nun möglich, gezielt einzelne Veränderungen in der Sequenz des Enzyms herbeizuführen, um mittels grüner Gentechnik einer Nutzpflanze einen Vorteil gegenüber dem Unkraut zu verschaffen.

Originalpublikation:
Anton Brausemann, Sandra Gemmecker, Julian Koschmieder, Sandro Ghisla, Peter Beyer & Oliver Einsle (2017) Structure of Phytoene Desaturase Provides Insights into Herbicide Binding and Reaction Mechanisms Involved in Carotene Desaturation. Structure. DOI: 10.1016/j.str.2017.06.002

Informationen zu dem mit Beta-Carotin angereicherten Goldenen Reis

Kontakt:
Prof. Dr. Peter Beyer
Institut für Biologie II
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-2529
E-Mail: peter.beyer@biologie.uni-freiburg.de

Prof. Dr. Oliver Einsle
Institut für Biochemie
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel: 0761/203-6058
E-Mail: einsle@biochemie.uni-freiburg.de