Foto: Sebastian Reuter

Forschung

Pflanzen produzieren eine enorme Anzahl komplexer Moleküle, die als Naturstoffe bezeichnet werden. Diese Verbindungen spielen eine vielfältige und reichhaltige Rolle bei der Kontrolle der Art und Weise, in der Pflanzen mit der Umwelt interagieren. Darüber hinaus haben viele dieser Verbindungen lebensrettende medizinische Eigenschaften und werden sowohl in der traditionellen als auch in der modernen Medizin verwendet. Wir entwickeln Ansätze, um die Gene und Enzyme zu entdecken, die für die Biosynthese von Naturstoffen verantwortlich sind, und wir nutzen dieses Wissen, um die grundlegenden chemischen, biologischen und evolutionären Prozesse zu verstehen, die der Biosynthese dieser komplexen Moleküle zugrunde liegen. Zusätzlich entwickeln wir Plattformen, die eine schnelle und kostengünstige Produktion dieser Verbindungen ermöglichen.

Entdeckung neuer pflanzlicher Biosynthesegene

Die Abbildung zeigt den kürzlich aufgeklärten Vinblastin-Weg aus der Heilpflanze Catharanthus roseus.

Viele der Stoffwechselwege, die in Pflanzen Naturstoffe produzieren, sind auf Genebene nicht charakterisiert.

​Wir verwenden modernste Sequenzierung und Bioinformatik, oft in Zusammenarbeit mit der Buell-Gruppe an der MSU, zusammen mit chemischen und biochemischen Ansätzen, um schnell neue Biosynthesegene in Pflanzen zu identifizieren.

Um unsere selbstorganisierende Karte zu verwenden, die von Marc Jones in Payne et al. (2017) Nature Plants:

https://github.com/marc-jones/catharanthus-roseus-som

Alkaloidbiosynthese

​Die Abbildung zeigt die kürzlich aufgeklärte Kristallstruktur des biosynthetischen Enzyms Catharanthin-Synthase, das an der Biosynthese der Krebsmedikamente Vinblastin und Vincristin beteiligt ist.

Alkaloide sind stickstoffhaltige Verbindungen, die vielfältige und reichhaltige biologische Aktivitäten haben. Die Monoterpen-Indol-Alkaloide gehören zu den strukturell komplexesten Molekülen, die in der Natur vorkommen, und umfassen die pharmazeutisch wichtigen Verbindungen Vincristin, Chinin und Strychnin.

Unsere Gruppe entdeckt und untersucht biosynthetische Enzyme, die die chemische Vielfalt der Monoterpen-Indolalkaloide erzeugen, die in fünf Pflanzenfamilien vorkommen.

Für unsere Sequenzdatenbanken für einige Alkaloid-produzierende Pflanzen:

http://medicinalplantgenomics.msu.edu

Iridoidbiosynthese

​Das Foto zeigt Sarahs Katzen bei der Inspektion einer Nepeta-Sorte mit hoher Nepetalactonproduktion.

Iridoide sind eine spezialisierte Klasse von Monoterpenen, die am besten für die Vermittlung von Interaktionen zwischen Pflanzen und Insekten bekannt sind. Zu den Iridoiden gehören die als Nepetalactone bekannten Verbindungen, die nicht nur für die Interaktionen zwischen Insekten und Pflanzen wichtig sind, sondern auch die Moleküle in der Katzenminze sind, die Katzen wild werden lassen.

Unsere Gruppe hat zahlreiche Enzyme der Iridoid-Biosynthese entdeckt, und wir untersuchen, wie sich die Iridoid-Pfade in Pflanzen wie der Katzenminze entwickelt haben.

Für unsere Sequenzdatenbanken für einige iridoidproduzierende Pflanzen:

http://mints.plantbiology.msu.edu

Mechanismus, Evolution und Funktionbiosynthetischer Synthesewege und Enzyme

Viele der biochemischen Transformationen, die bei der Biosynthese von Naturstoffen ablaufen, sind nur unzureichend verstanden. Unsere Gruppe hat eine Reihe noch nie dagewesener enzymatischer Transformationen aus dem Pflanzenstoffwechsel entdeckt, die wir dann mit mechanistischen enzymologischen und strukturbiologischen Ansätzen untersuchen. In Zusammenarbeit mit Tours befassen wir uns auch mit Protein-Protein-Interaktionen im Stoffwechsel.

Wir untersuchen auch, wie sich die Pfade entwickelt haben könnten, wobei wir sowohl die genomische Sequenzierung als auch Ansätze wie die Rekonstruktion der Vorgängersequenz nutzen.

Die Abbildung zeigt den vorgeschlagenen Mechanismus für die Biosynthese von Coronaridin, einer Vorstufe des potenziellen Anti-Suchtmittels Ibogain, unterstützt durch Isotopenmarkierungsstudien.

Metabolic Engineering/Synthetische Biologie pflanzlicher Stoffwechselwege

Wir erzeugen transgenes Pflanzengewebe, das in der Lage ist, "New-to-nature"-Produkte zu produzieren. Diese Umprogrammierung von Biosynthesewegen zur Herstellung unnatürlicher Produkte kann zur Entwicklung von Molekülen mit neuen biologischen Aktivitäten führen.

Wir erforschen Möglichkeiten, einzelne Zweige der pflanzlichen Stoffwechselwege in lenkbaren Wirtsorganismen, wie Nicotiana benthamiana und Hefe, effizient zu rekonstruieren, um die Produktio, Ausbeute und Kosten zu optimieren.

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