Neue Forschungen haben das Geheimnis aufgedeckt, wie Pflanzen Limonoide herstellen, eine Familie wertvoller organischer Chemikalien, die bienenfreundliche Insektizide enthalten und Potenzial als Krebsmedikamente haben.
Das Forschungsteam, eine Zusammenarbeit zwischen dem John Innes Center und der Stanford University, verwendete bahnbrechende Methoden, um den Biosyntheseweg dieser nützlichen Moleküle aufzudecken, die von bestimmten Pflanzenfamilien, einschließlich Mahagoni und Zitrusfrüchten, hergestellt werden.
In der Studie, die in erscheint Wissenschaftverwendete das Forschungsteam des John Innes Center genomische Werkzeuge, um das Genom der Chinabeere (Melia azedarach), einer Mahagoniart, zu kartieren, und kombinierte dies mit molekularer Analyse, um die Enzyme im Biosyntheseweg aufzudecken.
„Indem wir die zur Herstellung von Limonoiden erforderlichen Enzyme gefunden haben, haben wir die Tür zu einer alternativen Produktionsquelle für diese wertvollen Chemikalien geöffnet“, erklärte Dr. Hannah Hodgson, Co-Erstautorin der Veröffentlichung und Postdoktorandin am John Innes Centre.
Bisher konnten Limonoide, eine Art Triterpen, nur durch Extraktion aus Pflanzenmaterial hergestellt werden.
Dr. Hodgson erklärte: „Ihre Strukturen sind zu kompliziert, um sie effizient durch chemische Synthese herzustellen. Mit dem Wissen über den Biosyntheseweg ist es nun möglich, einen Wirtsorganismus zu verwenden, um diese Verbindungen herzustellen.“ Sie hat hinzugefügt.
Ausgestattet mit dem vollständigen Biosyntheseweg können Forscher nun die Chemikalien in häufig verwendeten Wirtspflanzen wie Nicotiana benthamiana produzieren. Diese Methode kann auf nachhaltigere Weise größere Mengen an Limonoiden produzieren.
Die Erhöhung des Angebots an Limonoiden könnte eine breitere Verwendung von Azadirachtin ermöglichen, dem aus dem Neembaum gewonnenen Anti-Insekten-Limonoid, das im kommerziellen und traditionellen Pflanzenschutz verwendet wird. Azadirachtin ist eine wirksame, schnell abbaubare, bienenfreundliche Option für den Pflanzenschutz, wird jedoch aufgrund des begrenzten Angebots nicht weit verbreitet.
Das Team stellte zwei relativ einfache Limonoide her, Azadiron aus Chinaberry und Kihadalacton A aus Zitrusfrüchten, und glaubt, dass die hier verwendeten Methoden nun als Vorlage für die Herstellung komplizierterer Triterpene verwendet werden können.
Das Team von John Innes verwendete genomische Werkzeuge, um ein Genom auf Chromosomenebene für die Chinabeere (Melia azedarach) zusammenzustellen, in dem sie die Gene fanden, die für 10 zusätzliche Enzyme kodieren, die für die Produktion des Azadirachtin-Vorläufers Azadiron erforderlich sind. Parallel dazu konnte das in Stanford arbeitende Team die 12 zusätzlichen Enzyme finden, die zur Herstellung von Khidalacton A erforderlich sind.
Die Expression dieser Enzyme in N. benthamiana ermöglichte ihre Charakterisierung mit Hilfe von Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), Technologien, die eine Analyse von Proben auf molekularer Ebene ermöglichen.
Professor Anne Osbourn, Gruppenleiterin am John Innes Center und Mitautorin der Studie, sagte: „Pflanzen stellen eine Vielzahl spezialisierter Metaboliten her, die für den Menschen nützlich sein können. Wir beginnen gerade erst zu verstehen, wie Pflanzen komplexe Chemikalien herstellen wie Limonoide. Vor diesem Projekt waren ihre Biosynthese und die beteiligten Enzyme völlig unbekannt; jetzt ist die Tür offen für zukünftige Forschungen, um auf diesem Wissen aufzubauen, das den Menschen in vielerlei Hinsicht zugute kommen könnte.“
Ein weiteres Beispiel für ein hochwertiges Limonoid, das das Team herzustellen hofft, ist der Krebsmedikamentenkandidat Nimbolid; Diese Arbeit könnte einen einfacheren Zugang zu Limonoiden wie Nimbolid ermöglichen, um weitere Studien zu ermöglichen. Neben der Herstellung bekannter Produkte wie Nimbolid sagt das Forschungsteam, dass sich die Tür zum Verständnis neuer Aktivitäten für Limonoide öffnen könnte, die noch nicht untersucht wurden.
Mehr Informationen:
Ricardo De La Peña et al, Complex scaffold remodeling in plant triterpene biosynthesis, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adf1017. www.science.org/doi/10.1126/science.adf1017