Senföl-Bomben gegen Raupen

Kreuzblütler produzieren einen chemischen Wirkstoff der sie vor Raupenfraß schützt. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut in Jena haben nun herausgefunden, dass die Pflanzen diese "Waffe" nur einer kleinen Änderungen in einem Enzym zu verdanken haben – aber mit großer Wirkung.

Die Familie der Kreuzblütler oder Brassicaceae, umfasst Nutzpflanzen wie Kohl, Brokkoli, Senf, Raps, Radieschen oder Kresse – aber auch Unkräuter wie die Ackerschmalwand. Diese Pflanze mit dem wissenschaftlichen Namen Arabidopsis thaliana ist das wichtigste Modellsystem in der Pflanzenforschung. Aus ihr haben die Forscher des Max-Planck-Instituts ein Enzym isoliert das für die Produktion von Senfölglykosiden sorgt. Werden die Pflanzenzellen verletzt – wie im Falle eines Raupenangriffs – so setzen die Glykoside giftige Isothiocyanate frei: Die "Senföl-Bombe". 

Die Überraschung bestand nun darin, dass dieses "MAM" genannte Enzym in seiner Struktur einem zweiten Enzym (IPMS) sehr ähnlich ist: Gegenüber IPMS fehlen MAM die letzten 120 Aminosäuren und im aktiven Zentrum des Enzyms sind zwei Aminosäuren ausgetauscht. Die Funktion von IPMS ist jedoch eine ganz andere; es ist nämlich für die Bildung der Aminosäure Leucin zuständig. IPMS kommt in Bakterien, Algen und höheren Pflanzen vor, nicht aber in tierischen Organismen. Für den Menschen ist Leucin daher eine essenzielle Aminosäure die mit der Nahrung aufgenommen werden muss. 

#####bildbox1#####

Bei Enzymen bestimmt die Anordnung der Aminosäuren die räumliche Struktur und damit auch die biologische Funktion. Das Fehlen der 120 Aminosäuren bei MAM hat die Architektur des Enzyms so verändert, dass es größere Moleküle binden und somit ganz neue Produkte erzeugen kann, in diesem Fall Vorstufen von Senfölglykosiden anstatt von Leucin. Die Forscher erklären ihre Entdeckung damit, dass sich das IPMS-Gen im Verlauf der Evolution zunächst verdoppelt hat – Genomverdopplungen sind in der Evolutionsgeschichte häufig ablaufende Prozesse. Als danach in einer der beiden Kopien der Bereich, welcher die letzten 120 Aminosäuren des Enzyms kodiert, verloren ging, brachte das keine Funktionseinbußen für den Organismus mit sich. Für die Pflanzen war dieser Verlust ein Gewinn da er ihnen einen evolutionären Vorteil verschaffte. Durch die Bildung einer neuen Stoffgruppe – der Senfölglykoside – konnten dieses sich besser vor einigen ihrer Fraßfeinde schützen. Diese genetische Veränderung hat sich daher in der Natur bewährt und zu einer großen Variation dieser Glykoside geführt; Kreuzblütler profitieren bis heute von diesem Verlust von Aminosäuren bei der Leucinsynthese.