Bockkäferlarven entwickeln sich hauptsächlich in holzigem Gewebe, das für die meisten Organismen schwer verdaulich ist. Bockkäferlarven besitzen jedoch spezielle Enzyme, um die verschiedenen Bestandteile der Pflanzenzellwand abzubauen. Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena haben nun eine Gruppe von Verdauungsenzymen genauer unter die Lupe genommen, die nur in dieser Käferfamilie vorkommt. Sie ließen die ursprünglichen Enzyme wieder auferstehen, die erstmals in einem gemeinsamen Vorfahren von Bockkäfern auftraten. Der horizontale Gentransfer von Bakterien auf den Käfer sowie alte und neue Genduplikationen förderten die Evolution dieser Familie von Verdauungsenzymen und ermöglichten es Bockkäfern, die Hauptbestandteile der Pflanzenzellwand abzubauen, die den Großteil ihrer Nahrung ausmachen. Ihre Studie wurde veröffentlicht in Molekularbiologie und Evolution.
Bockkäferlarven spielen eine wichtige Rolle in Waldökosystemen, weil sie sich vom Holz abgestorbener Bäume ernähren und so Nährstoffe in den natürlichen Kreislauf zurückführen. Larven einiger Bockkäferarten (Cerambycidae) ernähren sich sogar vom Holz lebender Bäume oder entwickeln sich in verarbeitetem Holz und können dadurch erheblichen wirtschaftlichen Schaden anrichten. Holz entsteht durch Verholzung, den Einbau von Lignin in die Pflanzenzellwand. Die Hauptbestandteile von Holz sind die Polysaccharide Zellulose und Xylan sowie das Polymer Lignin, die für die meisten Organismen schwer abbaubar sind. Wie Blattkäfer, Rüsselkäfer und Borkenkäfer haben Bockkäfer Enzyme, um Bestandteile der Pflanzenzellwand abzubauen.
Einige Enzymfamilien sind in diesen Käferfamilien weit verbreitet, aber GH5_2-Enzyme wurden bisher nur in Bockkäfern gefunden. Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und des Great Lakes Forest Centre in Kanada fragte sich, was an diesen Enzymen so besonders ist und warum sie nur in Bockkäfern vorkommen.
„Einige unserer früheren Studien deuteten darauf hin, dass sich in mindestens einer Unterfamilie der Bockkäfer, den Flat-faced Longhorns, Mitglieder der GH5_2-Enzymfamilie entwickelt haben, um nicht nur Zellulose, sondern auch andere Polysaccharide wie Xylan und Xyloglucan abzubauen. Wir wollten herauszufinden, ob diese katalytischen Fähigkeiten nur auf Flachbockböcke beschränkt waren oder ob es eine Art Markenzeichen bei allen Bockkäfern war“, sagt Studienleiter Yannick Pauchet.
Um die Frage zu beantworten, kombinierten die Forscher phylogenetische Analysen mit der Generierung umfangreicher Funktionsdaten. Das Ergebnis der Untersuchung von insgesamt 113 GH5_2-Enzymen aus 25 Arten ist eine umfassende Analyse der Evolutionsgeschichte dieser Enzymgruppe in Bockkäfern. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass ihre Funktion oder welche Polysaccharide sie abbauen können, darauf zurückzuführen ist, wie sie miteinander verwandt sind. Alle Gene waren das Ergebnis von mindestens vier Genduplikationen.
Aus den Vergleichsstudien konnten die Forscher die Gensequenz des ursprünglichen Enzyms ableiten, das nach Übertragung aus Bakterien erstmals bei einem Vorfahren der heutigen Bockkäfer auftrat. Sie exprimierten es erfolgreich in Zellkulturen und testeten seine Aktivität an einer Reihe wichtiger Pflanzenzellwand-Polysaccharide.
„Diese Experimente lieferten wichtige Beweise dafür, dass dieses ursprüngliche Enzym, eine Cellulase, nicht nur Zellulose abbaute, sondern ‚promiskuitiv‘ war, was bedeutet, dass es auch die Umwandlung anderer Substrate wie Xylan und Glucomannan katalysierte. Diese Fähigkeit war möglicherweise eine Voraussetzung für die Evolution.“ der Substratspezifität dieser Enzyme nach Genduplikation“, sagt Erstautor Na Ra Shin.
Ein überraschendes Ergebnis für die Forscher war, dass sie ein Enzym identifizierten, das die Transglykosylierung, die Übertragung und Anlagerung einer Zuckergruppe, gegenüber der Hydrolyse (Spaltung durch Reaktion mit Wasser) begünstigt. „Nur ein umfassendes Aktivitätsscreening von Enzymen, wie wir es hier durchgeführt haben, hat die Entdeckung eines Enzyms mit solchen Eigenschaften ermöglicht“, sagt Na Ra Shin.
Untersuchungen zur Fähigkeit von Insekten, bestimmte Bestandteile pflanzlicher Nahrung zu verdauen, zeigen, dass der horizontale Gentransfer eine sehr entscheidende Rolle spielte. „Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass der Erwerb neuartiger Stoffwechselkapazitäten durch horizontalen Gentransfer von enormer Bedeutung für die Evolution vieler Organismen war“, sagt Yannick Pauchet. Bockkäfer sind eine der größten und vielfältigsten Käferfamilien. Der evolutionäre Erfolg der weltweit geschätzt mehr als 36.000 Bockkäferarten beruht sicherlich auf ihrer Fähigkeit, bisher unverdauliche Nahrung abzubauen und dadurch neue Lebensräume zu erschließen.
Der systematische Ansatz dieser Studie, der die Entdeckung von Sequenzen und die funktionelle Charakterisierung einer kompletten Enzymfamilie in einer Reihe von Käferarten kombiniert, ist auch ein effektiver Weg, um katalytisch interessante Enzyme für potenzielle biotechnologische Anwendungen zu identifizieren. Von besonderem Interesse sind hier Enzyme, die zur Rückreaktion, Übertragung und Anlagerung eines Zuckers oder Transglykosylierung statt Spaltung befähigt sind.
„Einige Oligosaccharide haben therapeutisches Potenzial. Ihre Synthese ist jedoch schwierig und erfordert langwierige chemische Methoden mit geringen Ausbeuten. Alternativ können Glykosyltransferasen verwendet werden, aber sie sind sehr instabil und erfordern teure Spendersubstrate. Die Verwendung von Enzymen zur Transglykosylierung kann all dies umgehen.“ Nachteile. Wir haben mit unserem Ansatz eine natürlich vorkommende Transglykosidase entdeckt. Das ist eine kleine Sensation“, sagt Na Ra Shin.
Für die Forscher wäre es interessant, noch einen Schritt weiter zu gehen, um die Bedeutung dieser Enzyme für die Biologie der Bockkäfer zu verstehen. Allerdings wäre diese Arbeit nur mit Hilfe von Mutanten möglich. „Bisher war es einfach nicht möglich, Mutanten mit veränderter Enzymaktivität in diesen Insekten herzustellen, da sie die meiste Zeit ihres Lebens in Holzgeweben verborgen bleiben, ihre Entwicklungszeit mehrere Jahre betragen kann und sie nicht einfach zu züchten sind im Labor“, sagt Yannick Pauchet.
Na Ra Shin et al., Die Duplikation von horizontal erworbenen GH5_2-Enzymen spielte eine zentrale Rolle in der Evolution von Bockkäfern, Molekularbiologie und Evolution (2022). DOI: 10.1093/molbev/msac128
Bereitgestellt vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie