Evolution und Regulierung des spezialisierten Stoffwechsels von Pflanzen
In unserer Gruppe wollen wir die Evolution spezialisierter Stoffwechselwege von Pflanzen und deren Regulation vom Organismus bis hin zur Einzelzelle besser verstehen.
Pflanzen produzieren eine enorme Vielfalt spezialisierter Metabolite (Naturstoffe). Einige davon sind einzigartig und kommen nur in bestimmten Abstammungslinien vor, während andere konserviert sind und weiter verbreitet sind. Interessanterweise wurde die Biosynthese selbst komplexer Naturstoffe in der Natur in einigen Fällen mehr als einmal „erfunden”. Die Untersuchung dieser unabhängig voneinander entwickelten Stoffwechselwege ermöglicht Einblicke in deren Evolution und Regulation und kann Ansätze für das Pathway Engineering liefern.
Als Modellsystem verwenden wir derzeit die Biosynthese der Ipecac-Alkaloide, die ein bemerkenswertes Beispiel für unabhängig voneinander entwickelte komplexe Naturstoffe darstellen. Diese aus Monoterpenoiden gewonnenen Tetrahydroisochinolin-Alkaloide kommen in den Ordnungen Cornales und Gentianales vor. Diese haben sich vor mindestens 100 Millionen Jahren voneinander getrennt. Ipecac-Alkaloid-produzierende Arten sind traditionelle Heilpflanzen, die besonders für ihre brechreizauslösende Wirkung bekannt sind. „Ipecac-Sirup“, ein Extrakt, der aus dem Rhizom von Carapichea ipecacuanha gewonnen wird, war jahrzehntelang ein rezeptfreies Brechmittel.
Mithilfe klassischer Methoden zur Entdeckung von Stoffwechselwegen, d. h. durch die Generierung von Genom-, Transkriptom- und Metabolomdaten und die anschließende Rekonstitution der Stoffwechselwege in Nicotiana benthamiana sowie durch In-vitro-Enzymaktivitätstests mit rekombinant hergestellten Proteinen, haben wir die Biosynthese von Ipecac-Alkaloiden in Alangium salviifolium (Cornales), C. ipecacuanha (Gentianales, Rubiaceae, Rubioideae) und Pogonopus speciosus (Gentianales, Rubiaceae, Ixoroideae) untersucht. Mithilfe von In-silico-Ansätzen wie phylogenetischen Analysen und Proteinmodellvergleichen (AlphaFold) versuchen wir, die evolutionären Beziehungen zwischen den entdeckten Enzymen zu verstehen. Zudem vergleichen wir die subzelluläre Lokalisierung und Protein-Protein-Wechselwirkungen von Enzymen des Stoffwechselwegs.
Solche vergleichenden Analysen haben kürzlich eine nahezu identische chemische Logik der Ipecac-Alkaloid-Biosynthese in diesen Arten aufgezeigt, aber auch auffällige Unterschiede in den evolutionären Strategien der Enzymrekrutierung, wodurch verdeutlicht wird, wie die Natur verschiedene Wege nutzt, um zum gleichen Ergebnis zu gelangen. Derzeit entschlüsseln wir die verbleibenden Schritte des Stoffwechselwegs.
Einzelzell-Omics zur Förderung der Enzymforschung und zur Entschlüsselung der Stoffwechselwegaufteilung
In letzter Zeit haben wir uns auf die Anwendung neuer Methoden konzentriert, um Stoffwechselwege und deren Regulation auf Ebene einzelner Zellen zu untersuchen. In Zusammenarbeit mit anderen Mitgliedern unserer Abteilung (Naturstoffbiosynthesewege in Pflanzen und Einzelzellen) sowie externen Kooperationspartnern (https://buell-lab.github.io/) führen wir Einzelzell-Metabolomik und -Transkriptomik durch. Damit wollen wir besser verstehen, wie spezialisierte Stoffwechselwege auf zelltypspezifischer Ebene organisiert sind.
Die Verwendung von Einzelzell-Omics-Daten hat kürzlich zur Entdeckung der lang gesuchten fehlenden Iridoidcyclase geführt und wird die Aufklärung der noch unbekannten Schritte der Ipecac-Alkaloid-Biosynthese beschleunigen. Darüber hinaus wird dies unser Verständnis dafür vertiefen, warum es zu einer zelltypspezifischen Aufteilung der Stoffwechselwege kommt und wie Pflanzen diesen Prozess regulieren.
In einer unabhängigen Studie zur Methodenentwicklung wurde der Proteingehalt von Regulatoren zelltypspezifischer Prozesse analysiert. Da der Nachweis selten vorkommender regulatorischer Proteine in der Einzelzell-Proteomik nach wie vor eine große Herausforderung darstellt, verwenden wir Protein-Proximity-Labeling, um regulatorische Kernproteine aus verschiedenen Zellschichten zu isolieren und zu analysieren. Die Studie wurde an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana durchgeführt, da diese leicht transformierbar ist und grundlegende Vorkenntnisse über zelltypspezifische Promotoren verfügbar sind.
Alumni:
Clara Morweiser MSc Thesis, MPI Fellowship 2024-2025
Ketil Krabbe MSc Thesis 2024
Chloée Tymen MSc Thesis 2024
Olivia Dittberner, Master Internship 2023