Ein neu entdeckter Weg zur Optimierung pflanzlicher Enzyme durch Biotechnik hat das Wissen darüber erweitert, wie Pflanzenmaterial in Biokraftstoffe, Biochemikalien und andere hochwertige Produkte umgewandelt werden kann.
Die von der Universität Adelaide geleitete Studie stellt innovative Ideen vor, wie die Wände von Pflanzenzellen durch die Steuerung der katalytischen Funktion spezifischer Enzyme zusammengesetzt, strukturiert und umgestaltet werden können. Der Studie wurde veröffentlicht in Pflanzentagebuch und wurde mit einem internationalen, multidisziplinären Team von Forschern des Instituts für Chemie der Slowakischen Akademie der Wissenschaften und der Huaiyin Normal University in China durchgeführt.
Grundlegende Eigenschaften von Pflanzenzellen – wie Struktur, Integrität, Organisation des Zytoskeletts und Stabilität – werden nun anders betrachtet, was neue Alternativen nahelegt.
Durch die Untersuchung der katalytischen Funktion spezifischer Enzyme – ein Prozess, der als „Xyloglucan-Xyloglucosyltransferasen“ bezeichnet wird – konnten Forscher besser verstehen, wie sie verschiedene Polysaccharide verbinden, um strukturelle Komponenten pflanzlicher Zellwände zu bilden.
Visualisierung der Dynamik der XXXG/neutralen Manno-Tetra-Oligosaccharid-Substratpaarbindung durch TmXET6.3 (breit spezifisch) und PttXET16A (spezifisch), erhalten durch MD-Simulation. Bildnachweis: Universität Adelaide
„Diese Arbeit trägt zum wesentlichen Wissen darüber bei, wie Xyloglucan-Xyloglucosyltransferasen verstanden und ihre grundlegenden Eigenschaften kontrolliert werden können – beispielsweise um ihre katalytischen Geschwindigkeiten und Stabilität zu verbessern“, sagte Projektleiterin Professorin Maria Hrmova.
Damit Pflanzenmaterial zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden kann, müssen die Zellwände der Pflanzen abgebaut und die resultierenden Materialien chemisch verarbeitet werden. Die Eigenschaften der Zellwände können so verändert werden, dass sie weniger steif sind, wodurch die Produktion von Biokraftstoffen effizienter und kostengünstiger wird.
Die Erkenntnis hat auch Anwendungsmöglichkeiten für die Pharmaindustrie, wo Enzyme als umweltfreundliche und kostengünstige Optionen für die biologische Sanierung und andere Anwendungen gesucht werden.
Unter Bioremediation versteht man die Entfernung von Schadstoffen, Schadstoffen und Giftstoffen aus der Umwelt durch den Einsatz lebender Organismen.
„Obwohl die Definition der katalytischen Funktion von Xyloglucan-Xyloglucosyltransferasen in den letzten 15 Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat, gibt es Einschränkungen und immer noch einen Mangel an Informationen darüber, wie dieses Wissen organisch in die Funktionalität pflanzlicher Zellwände umgesetzt werden kann“, sagt sie sagte.
Diese Teamarbeit baut auf 60 Jahren chemischer und biochemischer Xyloglucan-Forschung dieser und anderer Forschungsgruppen auf.
Das Forschungsteam nutzte die empfindliche Hochleistungsflüssigkeitschromatographie mit fluoreszierenden Reagenzien, um komplexe biochemische Reaktionen von Polysacchariden effizient zu überwachen.
„Wir haben auch 3D-Molekülmodellierung und Molekulardynamiksimulationen angewendet, um Erkenntnisse über die Wirkungsweise dieser Enzyme auf schnellen Zeitskalen zu gewinnen“, sagte Professor Hrmova.
„Unsere Ergebnisse werden durch pflanzen- und zellbiologische Ansätze gestützt, mit denen wir neue Ideen zur Funktion dieser Enzyme in vivo entwickelt haben.“
Mehr Informationen:
Barbora Stratilová et al., Engineering der Substratspezifität in einem pflanzlichen Zellwand-modifizierenden Enzym durch Veränderungen von Carboxyl-terminalen Aminosäureresten, Das Pflanzenjournal (2023). DOI: 10.1111/tpj.16435