Ein Pektin synthetisierendes Enzym könnte Bäumen helfen, Stürme zu überstehen. Könnte es der Schlüssel zu nachhaltigeren Bioprodukten sein?

Im Frühling kommt es in weiten Teilen des Landes zu Schneestürmen, die zentimeterhohen, nassen Schnee mit sich bringen können. Die Äste der Bäume hängen durch und einige brechen ab – aber die meisten erholen sich in der wärmenden Frühlingssonne schnell wieder.

Pflanzenzellen enthalten große Mengen an Lignin, Zellulose und Hemizellulose, die die Hauptbausteine ​​der Pflanzenstämme und -stämme sind. Über ein entscheidendes viertes Polymer ist jedoch viel weniger bekannt: Pektin, von dem angenommen wird, dass es durch die Verbindung mit den anderen drei Komponenten Festigkeit und Flexibilität verleiht.

Was die Wissenschaftler besonders verwirrt, ist die genaue Art und Weise, wie Pflanzen die Pektinbestandteile der Zellwand aufbauen.

Jetzt haben Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL), der University of Georgia und des Lawrence Berkeley National Laboratory den biologischen Mechanismus entdeckt, der bei der Herstellung einer bestimmten Komponente von Pektin beteiligt ist. Veröffentlicht in NaturpflanzenDer Artikel beschreibt detailliert die Struktur und biochemische Aktivität des Enzyms Galactan Synthase 1 (GalS1), eines Enzyms, das an der Umwandlung des Zuckers Galactose in seine polymere Form namens Galactan beteiligt ist – einem wichtigen Pektinbestandteil.

„Wenn Sie die meisten Leute in der Biokraftstoffindustrie nach den Hauptbestandteilen pflanzlicher Zellwände fragen, werden sie Zellulose, Hemizellulose und Lignin nennen“, sagte Yannick Bomble, ein NREL-Biophysiker. „Pektin wird oft übersehen, es sei denn, man spricht mit einem Pflanzenwissenschaftler, aber es ist ein sehr wesentlicher Bestandteil jeder Pflanze.“

Die Studie ergänzt die anderen aktuellen Arbeiten des Teams, die verschiedene Prozesse in der pflanzlichen Biopolymersynthese detailliert beschreiben. Zusammengenommen vermitteln sie ein Bild davon, wie pflanzliche Enzyme zusammenarbeiten, um komplexe Polymere aufzubauen – Polymere, die Wissenschaftler eines Tages möglicherweise modifizieren, um nützliche Zellwandbestandteile leichter aus Biomasse zu extrahieren oder nachhaltige Bioprodukte herzustellen.

GalS1 dekoriert Pektin mit Seitenketten aus Arabinose- und Galactose-Zuckern

Um flexible Gliedmaßen, tiefe Wurzeln und stabile Stämme zu schaffen, arbeiten Pflanzenenzyme zusammen, um Rohstoffe wie Zucker in Polymere umzuwandeln, die sie später als Baumaterialien für ihre Zellwände verwenden können. Unter den vielen Enzymen, die an diesen Prozessen beteiligt sind, spielt GalS1 eine besondere Rolle: Es verbindet Galaktose-Zuckermoleküle an bestimmten Stellen zu einer langen Pektinkette, fast so, als würden Baumzweige an einem zentralen Stamm befestigt.

Das Ergebnis ist ein strukturell komplexer molekularer Bestandteil des Pektins. Laut Vivek Bharadwaj, einem Computerwissenschaftler am NREL, hatten Forscher Schwierigkeiten, pflanzliche Enzyme wie GalS1 zu verstehen, die an der Herstellung von Polymeren wie Pektin beteiligt sind.

„Wir wollten auf atomarer Ebene verstehen, wie sich die Substrate an das aktive Zentrum binden und welche Mechanismen durch die Bindung des Zuckers entstehen, um die Kettenlänge des Galactanzweigs zu erhöhen“, sagte er. „Das war traditionell wirklich schwierig experimentell zu machen, und hier kam NREL ins Spiel.“

Mithilfe von Computertools lieferten Bharadwaj und Bomble einen beispiellos detaillierten Einblick sowohl in die Struktur des Enzyms als auch in seine Biochemie. Diese Bemühungen ergaben Einzelheiten darüber, wie und wo die Substrate binden und welche biologische Maschinerie GalS1 verwendet, um solche spezifischen biochemischen Aufgaben zu erfüllen.

Sie fanden heraus, dass GalS1 einzigartig ist und ein spezielles Modul enthält, das es ihm ermöglicht, an ein Pektinrückgrat zu binden, das von anderen Enzymen gebildet wird. Nach der Anbindung positioniert GalS1 seine katalytische Domäne so, dass Zucker übereinander gestapelt werden kann. Die resultierenden Zweige – bestehend aus Galactanketten, die mit Arabinose terminiert sind – verleihen dem resultierenden Pektin eine einzigartige Struktur und Funktion. Große Mengen an Galaktose werden beispielsweise in Spannholz beobachtet – einer Holzart, die den Witterungseinflüssen besonders gut standhält.

Könnten biegsame Bäume bessere Biokraftstoffe ergeben?

Warum also all die Mühe, ein einzelnes Enzym mit einer ganz bestimmten Rolle zu verstehen? Laut Bomble besteht das langfristige Ziel darin, die Zuckerkonzentrationen in pflanzlichen Zellwänden im Allgemeinen und in Pektin und Hemizellulosen genauer zu steuern.

„Wir wollen in der Lage sein, das Verhältnis aller verschiedenen Komponenten zu kontrollieren, um lignozellulosehaltigen Materialien die Eigenschaften zu verleihen, die wir wollen“, erklärte Bomble.

Eine Überexpression oder Modifizierung von Enzymen wie GalS1 könnte die Eigenschaften von Zellwänden beeinflussen und die chemische Zusammensetzung von Pektin und anderen Schlüsselpolymeren verändern. Beispielsweise könnte GalS1 eines der Enzyme sein, die an der Verleihung zusätzlicher Flexibilität in Schlüsselbereichen einer Pflanze beteiligt sind, etwa in den Ästen von Bäumen, die einem Frühlingsschneesturm ausgesetzt sind.

Bomble sagte, dass Wissenschaftler in Zukunft möglicherweise in der Lage sein könnten, GalS1 zu modifizieren, um noch mehr Galaktose oder sogar Glukose hinzuzufügen, was in Prozessen zur Herstellung von Biokraftstoffen bevorzugt wird.

„Mikroben haben es normalerweise leichter, C6-Zucker wie Galaktose umzuwandeln als C5-Zucker wie Arabinose“, sagte er. „Es wäre besser, höhere Konzentrationen an C6-Zuckern in der pflanzlichen Zellwand zu haben, um sie in nützliche Produkte umzuwandeln.“

Natürlich warnen Bomble und Bharadwaj davor, dass die wirksame Modifizierung von Enzymen viele weitere gezielte, von Experten überprüfte wissenschaftliche Studien erfordert. Wie Bharadwaj sagte: „Was passiert mit der Stärke dieser pflanzlichen Zellwände, wenn man das Verhältnis von C5 zu C6 verschiebt? Wir wissen nicht genug darüber.“

Wenn Sie das nächste Mal sehen, wie Äste im Wind schaukeln oder sich unter dem Schnee biegen, denken Sie zunächst an GalS1 und die zahlreichen anderen Enzyme, die für diese Leistung erforderlich sind. Dieselben Enzyme könnten der Schlüssel zu effizienteren und kostengünstigeren Wegen zu nachhaltigen Biokraftstoffen und Bioprodukten sein.