Catecholamine sind eine Klasse kleiner chemischer Moleküle. Unter ihnen finden sich wichtige tierische Neurotransmitter und Hormone, wie zum Beispiel Dopamin, Norepinephrin (Noradrenalin) und Epinephrin (Adrenalin). Die Produktion und Funktion von Catecholaminen ist bei Tieren gut untersucht, aber sie kommen auch in Pflanzen vor, und hier weiß man sehr wenig über sie. Sie dienen wahrscheinlich als Abwehrstoffe, indem sie andere Pflanzen oder Fressfeinde schädigen, und sie schützen womöglich gegen negative Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Trockenheit. Es wird auch vermutet, dass sie den Kohlenstoffstoffwechsel der Pflanze beeinflussen, ähnlich der Rolle, die Dopamin im Insulinhaushalt von Tieren spielt. Insgesamt hat man aber sehr wenige gesicherte Kenntnisse über die Funktion von Catecholaminen in Pflanzen. Aus evolutionärer Sicht stellen sich ebenfalls viele Fragen, da Catecholamine höchstwahrscheinlich bei Tieren und Pflanzen unabhängig von einander entstanden sind, und innerhalb des Pflanzenreichs ebenfalls mehrere evolutionäre Ursprünge naheliegen. Gibt es also verschiedene Methoden, um Catecholamine zu produzieren? Sind in unterschiedlichen Organismen ähnliche Enzyme und Gene an der Herstellung von Catecholaminen beteiligt? Haben Catecholamine ähnliche Funktionen in Unterschiedlichen Lebewesen? Da wir nicht wissen, wie Catecholamine in Pflanzen hergestellt werden, können wir über ihre Funktion und Evolution derzeit nur spekulieren. Dieses Projekt zielt deswegen darauf ab die Biosynthese von Catelochaminen in Pflanzen zu beschreiben.
Zu diesem Zweck wird die Produktion von Catelochaminen in drei Pflanzen beschrieben werden, die wenigstens zwei unabhängige evolutionäre Ursprünge repräsentieren: Beta vulgaris (Rote Rüben), Mucuna pruriens (Juckbohne) und Vicia faba (Ackerbohne). Die experimentellen Ansätze, die dazu benutzt werden sollen, beinhalten modernste Sequenzierungsmethoden in Verbindung mit der Messung von Catecholaminkonzentrationen in verschiedenen Pflanzengeweben. Solche Enzyme, die unter Verdacht stehen an der Produktion von Catecholaminen beteiligt zu sein, werden dann biochemisch auf ihre Funktionsweise getestet werden. In transgenen Pflanzen, in denen diese Enzyme abgeschaltet werden, wird dann ihre Rolle im lebendigen Organismus untersucht werden. Diejenigen Enzyme, für die eine Rolle in der Herstellung von Catecholaminen nachgewiesen werden kann, werden dann zwischen den Arten verglichen werden, um ihre evolutionären Beziehungen zu verstehen.
Dieses Projekt stellt die erste Beschreibung der Biosynthese von Catecholaminen in Pflanzen dar. Die zwischenartlichen Vergleiche, die diese Arbeit liefern wird, werden als Basis dienen, um die Evolution von Catecholaminen zwischen verschiedenen Pflanzen und zwischen Pflanzen und Tieren besser zu verstehen. Die genetischen Ressourcen, die im Zuge dieser Arbeit entstehen werden, werden eine unverzichtbare Grundlage für weitere Forschung an diesen faszinierenden Molekülen sein.

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: ESP 122 ESPRIT-Programm

Laufzeit: 01.02.2023 – 01.01.2026

Kontakt: PhD Hester Sheehan

Die Dihydroflavonol 4-Reduktase (DFR) ist ein Schlüsselenzym in der Flavonoid-Biosynthese in Pflanzen und katalysiert die Bildung der Vorstufen der Anthocyan-Farbstoffe. Die natürlichen Substrate für die DFR sind Dihydrokämpferol, Dihydroquercetin und Dihydromyricetin, welche sich durch eine unterschiedliche Anzahl an Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) im sogenannten B-Ring ihrer chemischen Struktur unterscheiden. Die Substratspezifität der DFRs kann variieren, wobei manche DFRs alle drei Substrate gleichermaßen akzeptieren, während andere eine hohe Spezifität für bestimmte Substrate aufweisen. Da die Anzahl an OH-Gruppen in den Substraten die Farbe der Anthozyane bestimmt, ist die Substratspezifität der DFR ein entscheidender Faktor bei der Ausprägung von unterschiedlichen Blüten- oder Fruchtfarben. Die Substratspezifität wird durch geringfügige Unterschiede in der Aminosäuresequenz im Bereich der Substratbindungsstelle – und damit leicht veränderten Struktur – des Enzyms bestimmt. Obwohl zur Substratspezifität der DFR bereits zahlreiche Studien verfügbar sind, gibt es bislang kein systematisches Verständnis, wie genau diese Spezifität auf molekularer Ebene der Aminosäuresequenz festgelegt ist. Ziel ist es, die Beziehung zwischen Struktur und Funktion der DFR in Bezug auf ihre Spezifität zu den drei Substraten herzustellen.

Im Projekt werden verschiedene DFRs aus Pflanzen in Bakterienkulturen hergestellt und mit Enzymtests auf ihre Substratspezifität untersucht. Die Ergebnisse werden in Beziehung zu den jeweiligen Aminosäuresequenzen im Bereich der Substratbindungsstelle gesetzt. Insbesondere die DFR aus der Weinrebe ist dabei von Bedeutung, da hiervon die Kristallstruktur des Enzyms bekannt ist. Dies ermöglicht die komplementäre Kombination von „in silico“-Techniken (theoretische Enzym-Modellierung mittels spezieller Software) mit experimentellen Daten der Enzymtests. So können Auswirkungen auf Änderungen in der Aminosäuresequenz vorausgesagt und experimentell überprüft werden, sowie umgekehrt aufgrund der Aminosäuresequenzen die entsprechende Substratspezifität im Modell abgeleitet werden. Unterstützt wird dies durch die Erzeugung von Punktmutationen im Enzym, wo gezielt einzelne oder mehrere Aminosäuren im Bereich der Substratbindungsstelle ausgetauscht und die Auswirkung auf die Substratspezifität bestimmt werden. Letztendlich soll es möglich sein, die Substratspezifität auf Basis der Aminosäuresequenzinformation vorherzusagen. Das genau Verständnis der Substratspezifität auf Ebene der Aminosäuresequenz trägt wesentlich zur gezielten Züchtung von Pflanzen mit neuen Blüten- und Fruchtfarben bei. Des Weiteren befasst sich das Projekt mit der Evaluierung verschiedener DFR-Enzymtests um robuste und vergleichbare Ergebnisse innerhalb der Forschungscommunity zu ermöglichen.

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: I 5161

Laufzeit: 01.05.2023 – 31.10.2026

Kontakt: Senior Scientist Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. Christian Haselmair-Gosch

Dieses Projekt untersucht den ersten Schritt der Biosynthese von Phloridzin in der Modellpflanze Apfel.

Phloridzin stellt mehr als 90% der löslichen phenolischen Inhaltsstoffe in Apfelblättern dar. Diese großen Mengen an Phloridzin machen den Apfel einzigartig, da viele andere Pflanzen nur sehr geringe Mengen bilden und viele eng verwandte Arten wie etwa die Birne weder Phloretin noch das nah verwandte Glukosid Phloridzin enthalten. Phloretin und Phloridzin haben viele positive Effekte auf den menschlichen Organismus, die physiologische Rolle im Apfel ist hingegen noch nicht geklärt. Eine Beteiligung bei der Resistenz gegen Krankheiten wird immer wieder diskutiert.

Wir konnten zeigen, dass die Bildung von Phloridzin auf drei Biosyntheseschritten beruht: (1) die Bildung von Dihydro-p-coumaroyl-CoA aus p-Coumaroyl-CoA durch eine Dehydrogenase, (2) die weitere Bildung von Phloretin durch die Chalkonsynthase und (3) die Glukosylierung von Phloretin an der Position 2´. Während die letzten beiden Schritte bereits gut untersucht sind, ist der erste Schritt noch weitgehend unbekannt. Es ist der entscheidende Schritt, der den Apfel im Vergleich zu anderen Pflanzen in seiner Fähigkeit, große Mengen an Phloridzin zu bilden, einzigartig macht. In unserem letzten FWF-Projekt (P25399-B16) konnten wir in einem aufwendigen Reinigungsverfahren erstmals ein Enzym aus Apfelblättern isolieren, das p-Coumaroyl-CoA in Dihydro-p-coumaroyl-CoA effizient umwandeln kann.

Im Folgeprojekt soll dieses Enzym erstmals genau charakterisiert werden. Um den enzymatischen Mechanismus zu klären, sind Strukturstudien nötig, wie etwa die Kristallisation des Enzyms oder der Einfluss von Substraten, Inhibitoren/Effektoren oder anderen Faktoren. Die DNA-Sequenz der Dehydrogenase wird aus dem Apfel isoliert und in Bakterien eingebracht, um eine größere Menge Enzym zur Charakterisierung herzustellen. Es wird getestet, in welchen Pflanzengeweben und Entwicklungsstadien das Dehydrogenase-Gen an- bzw. ausgeschaltet ist. Die Funktionalität der Dehydrogenase wird auch mit transgenen Pflanzen überprüft, indem das Gen in die Ackerschmalwand (Arabidopsis) und in Birnenpflanzen eingebracht oder in Apfelpflanzen ausgeschaltet wird um die daraus resultierenden Veränderungen beobachten zu können. Der Vergleich der DNA- und der Enzym-Sequenz der Dehydrogenase von verschiedenen Pflanzenarten soll Auskunft über Struktur-Aktivität-Beziehungen auf molekularer Ebene geben. Die Projektmitarbeiter arbeiten in drei Teams, welche komplementäres Wissen und Ressourcen beisteuern. Ein österreichisches Team der TU Wien bringt Wissen zur Phloridzinbiosynthese, Molekularbiologie und Enzymatik ein, während das zweite österreichische Team an der Universität Wien sein Know-How zur Enzymcharakterisierung und -kristallisation beisteuert. Das deutsche Team hat langjährige Erfahrung in der wissenschaftlichen Überprüfung der Funktion einzelner Gene mittels gentechnisch veränderter Pflanzen. Zusätzlich wird ein externes Projektteam aus Neuseeland sein Know-How in Birnentransformation einbringen. Diese Arbeiten werden über neuseeländische Eigenmittel finanziert.

Förderstellen: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und ANR - Agence Nationale de la Recherche

Projektnummer: I 4296

Laufzeit: 01.05.2020 – 30.04.2024

Kontakt: Senior Scientist Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. Christian Haselmair-Gosch

Das Projekt "B-Ring Hydroxylierung in der Flavonoidbiosynthese" beschäftigt sich mit wichtigen Enzymen in der Biosynthese von Flavonoiden und anthochloren Pigmenten (Chalcone und Aurone), die für die rote, blaue und gelbe Blütenfärbung und für die Ausprägung von Blütenmalen in Korbblütler-Arten verantwortlich sind und auch gesundheitsfördernde Wirkungen beim Menschen aufweisen. Die Chalcone sind auch die unmittelbaren Vorstufen für die Bildung der Flavonoide, die wichtige Bestandteile der menschlichen Nahrung sind. Aber auch einige pflanzliche Abwehrstoffe auf Isoflavonoidbasis werden ausgehend von den Chalconen gebildet.

Bei dem Projekt handelt es sich um ein Folgeprojekt für das Projekt P29552-B29, das mit der Aufklärung der ersten Kristallstruktur eines Cytochrom-P450-abhängigen Enzyms des Flavonoidbiosynthesewegs begonnen hat, wobei die Chalcon 3-Hydroxylase (CH3H) als Modellenzym verwendet wird. Die Weiterfinanzierung der Arbeiten ist von entscheidender Bedeutung, damit das Team die Ergebnisse des vorherigen Projekts voll nutzen kann.

Die CH3H katalysiert die Einführung einer Hydroxylgruppe an der Position 3 von Chalconen. Die Reaktion weist große Ähnlichkeit mit der Hydroxylierung von Flavonoiden an der Position 3’ auf, kann jedoch von der bekannten Flavonoid 3’-hydroxylase (F3’H) trotz ihrer breiten Substratspezifität nicht katalysiert werden. Die F3'5'H katalysiert hingegen die Einführung von zwei Hydroxylgruppen in den Positionen 3 'und 5', wodurch die Farbe der resultierenden Pigmente von rot nach blau und violett verschoben wird. Die aufgeklärte dreidimensionale Struktur von CH3H ist wesentlich, um die strukturellen Unterschiede, die die divergente Funktionalität von CH3H und F3'H und den Reaktionsmechanismus von F3'5'H bestimmen, vollständig zu verstehen.

In dem Vorgängerprojekt wurden erfolgreich Methoden für die Produktion und Reinigung ausreichender CH3H-Mengen für Kristallisationsexperimente erarbeitet. Die Verfügbarkeit einer ersten Kristallstruktur eines Cytochrom P450 abhängigen Enzyms der Flavonoidbiosynthese wird zu einem ein besseren Verständnis der Funktion der CH3H und weiterer nahe verwandter Enzyme dieses wichtigen Biosynthesewegs führen. Mit diesem Wissen können in Zukunft widerstandsfähigere, attraktivere und gesundheitsförderndere Pflanzen gezüchtet werden.

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 32901

Laufzeit: 01.01.2020 – 31.12.2023

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Ein starkes und dauerhaftes Trainingsnetzwerk für Innovationen in der Lebensmittel- und Saftindustrie: ein 4D-Ansatz für die Fruchtsaftindustrie.

HiStabJuice ist ein europäisches intersektorales und interdisziplinäres Netzwerk, das Forschungstraining für 11 ESRs (Early Stage Researchers) anbietet, das für die gesamte Lebensmittelindustrie weltweit relevant ist. Das Europäische Trainings-Netzwerk (ETN) wurde von der International Fruit and Vegetable Juice Association (IFU) initiiert und kombiniert die wissenschaftliche Expertise von 5 Universitäten und 2 Forschungseinrichtungen mit der technologischen Erfahrung von 10 Industriepartnern aus 7 EU-Ländern. Dieses ETN zeichnet sich durch die außergewöhnlich hohe industrielle Beteiligung aus, das die praxisnahe Ausbildung und die Problemlösung mit außergewöhnlichen analytischen und technologischen Fähigkeiten gewährleistet, kombiniert mit der Ausbildung in übertragbaren Schlüsselqualifikationen für die Beschäftigung im öffentlichen und privaten Sektor. Die ESRs werden gemeinsam an der Bewertung verschiedener Faktoren arbeiten, die die Farbstabilität in Fruchtsäften beeinflussen, wobei der Schwerpunkt auf Rohstoffen und Konservierungstechniken sowie den damit verbundenen Auswirkungen liegt, die sich nachteilig auf die gesundheitlichen Vorteile der Endprodukte auswirken. Zu den wegweisenden Aspekten gehören die erste empirische Analyse des Beitrags von thermostabilen Enzymen zu Farbstabilität und Nährwert, Fruchtsorte, Reife, Erntezeit, traditionelle und moderne Konservierungstechniken (Pasteurisierung, Gefrieren, gepulstes elektrisches Feld, ohmsches Erhitzen, Hochdruckverarbeitung), die in einem 4D-Ansatz ausgewertet werden (Mikroben, Enzyme, Nährstoffe und chemisch-physikalische Parameter). Nach Abschluss der Aktion werden die ESRs ein universelles, empirisches System etabliert haben, um zu entscheiden, welche Obstsorten zu welchem ​​Zeitpunkt, in welchem ​​Stadium des Reifeprozesses geerntet werden und welche Konservierungsmethode die beste Farb- und Nährstoffstabilität bietet. Im Einklang mit der strategischen Priorität „Open Science“ von Horizon2020 wird dieses Wissen frei zugänglich sein. Dies hat das Potenzial, die Fruchtsaftindustrie zu revolutionieren und wird die europäische Industrie für die kommenden Jahrzehnte stärken. Die Teilnahme der IFU garantiert eine bestmögliche Kommunikation zwischen dem ETN und Interessenvertretern der Industrie in der gesamten EU.

Förderstelle: Europäische Kommission, Horizon2020

Projektnummer: ITN-ETN-956257

Laufzeit: 01.11.2020 – 28.02.2025

Kontakt: Projektass. Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. Christian Molitor

Training in molekularer Präzisionszüchtung für gartenbauliche Kulturen unter Verwendung des altbewährten Modells der Blütenfarbe.

Das COLORnamental-Team besteht aus einer erfahrenen Person (EP) im Bereich des Gartenbaus beziehungsweise molekularen Pflanzenzüchtung und dem zukünftigen Betreuungsteam, das heißt einer akademischen Stelle in Österreich, einem assoziierten Partner aus der kommerziellen Gartenbauindustrie in Deutschland und einem akademischen assoziierten Partner in Deutschland, der Gastgeber für eine sechsmonatige Entsendung ist. Gemeinsam haben sie ein innovatives und anspruchsvolles Forschungsprojekt definiert, das eine ausgewogene Mischung aus Forschung an der Schnittstelle von Grundlagen- und angewandter Forschung bietet und gleichzeitig vielversprechende Möglichkeiten im nicht-akademischen Bereich und wissenschaftliche Hotspots in der Pflanzenforschung adressiert. Ein innovativer Züchtungsansatz wird die Blütenfarbe als etabliertes Modell nutzen, um zum ersten Mal die Verwendung von MAD7-Nukleasen in der Zierpflanzenzüchtung und die Protoplastentransformation zur Modifizierung der Hochblattfarbe des Weihnachtssterns zu implementieren. Der Genome-Editing-Ansatz befasst sich mit der Substratspezifität der Dihydrolflavonol-4-Reduktase (DFR) in Hinblick auf die Akkumulation von orangefarbenen Pelargonidin-basierten Pigmenten. Flavonoide, einschließlich der farbigen Anthocyane, sind die wichtigsten sekundären Metaboliten und tragen zu einer breiten Palette physiologischer Funktionen in Pflanzen und Menschen bei, letzteres, wenn sie mit pflanzlicher Nahrung verzehrt werden. Dies macht sie zu einem attraktiven Thema für Industrie und Wissenschaft in vielen Forschungsbereichen. Der Flavonoid-Biosyntheseweg diente schon immer als wichtiges Modell, um grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über Enzyme, die Genregulation in Pflanzen und eine Vielzahl evolutionärer Prozesse zu gewinnen. Auf diese Weise kann die EP ihr Fachwissen erweitern und ihren Gastgebern selbst eine neue Perspektive vermitteln. Ein maßgeschneiderter Trainingsplan, bestehend aus wissenschaftlichen Schlüsselqualifikationen für die Beschäftigung im öffentlichen und privaten Sektor (Forschungsmanagement, Präsentation und Sprachkenntnisse), wurde entwickelt, um die EP zu befähigen, ihre wissenschaftliche Karriere voranzutreiben.

Förderstelle: Europäische Kommission, Horizon Europe

Projektnummer: 101065228

Laufzeit: 01.04.2023 – 30.09.2025

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth