Spezialisierter Steroid-Stoffwechsel in Pflanzen

Sterole sind von Isoprenoiden abgeleitete Moleküle, die für das normale Wachstum und die Entwicklung aller Eukaryoten unerlässlich sind. Sterole sind auch die Vorstufen für viele sekundäre oder spezialisierte Stoffwechselprodukte. Steroidmoleküle sind zu einem integralen Bestandteil der menschlichen Gesundheit (Steroidhormone; z. B. Progesteron, Östrogen), der Ernährung (z. B. Vitamin-D-Präparate, Nahrungsergänzungsmittel wie Tribulus-Extrakte) und der Medizin geworden [Steroidmedikamente zur Behandlung von leichten Entzündungen, Allergien bis hin zu chronischen Erkrankungen und Krankheiten (z. B. Krebs)]. Während des COVID-19-Ausbruchs wurden weltweit zwei von der Weltgesundheitsorganisation zugelassene Steroidmoleküle, Methylprednisolon und Dexamethanson, in der COVID-19-Behandlungstherapie eingesetzt. Im Vergleich zu Tieren und Pilzen, die jeweils ein Hauptsterin produzieren, stellen Pflanzen eine spektakuläre Bandbreite an Sterinmolekülen her, was sie zu einer vielversprechenden Quelle für "hochwertige" Steroidverbindungen macht. Um die steigende Nachfrage nach hochwertigen Steroidverbindungen zu befriedigen, sind Ansätze der synthetischen Biologie und des Metabolismus-Engineering für die Produktion dieser Verbindungen in großem Maßstab erforderlich. Leider ist unser Wissen über die Biosynthese vieler spezialisierter Steroid-Stoffwechselprodukte (z. B. Cardenolide) äußerst begrenzt, so dass moderne Anwendungen der synthetischen Biologie, die diese Klasse von Stoffwechselprodukten nutzbar machen können, nur eingeschränkt möglich sind. Darüber hinaus ist unser Zugang zu bestimmten hochwertigen Steroiden (z. B. Provitamin D3 und Vitamin D3) in nachhaltigen Pflanzenproduktionssystemen nach wie vor eingeschränkt, da diese Verbindungen nur in wenigen Pflanzenarten in geringen Mengen produziert werden. Mit der Fähigkeit, neue technologische Fortschritte in den Bereichen Sequenzierung, Bioinformatik und Metabolomik bei mehreren Pflanzenarten anzuwenden, und in Verbindung mit optimierten heterologen Produktionssystemen sind wir nun in der Lage, die offene Frage des spezialisierten Steroidstoffwechsels zu lösen, die sich der Forschung seit Jahrzehnten entzieht.

Unsere Forschung zielt darauf ab, zwei zentrale Herausforderungen anzugehen, die für die Nutzung des pflanzlichen Steroidstoffwechsels erforderlich sind: 1) die Entdeckung von nachgeschalteten Enzymen, die Sterole in hochwertige spezialisierte Metaboliten umwandeln, und 2) metabolisches Engineering für eine nachhaltige Produktion dieser Verbindungen in Pflanzen.