Zu zweit geht es besser
Forscher untersuchen die Funktion eines neues Enzyms bei der Synthese von Amylose
Stärkekörner: Aus Speicherorganen wie der Kartoffelknolle wird die eingelagerte Stärke zu industriellen Zwecken oder zur Verwendung als Lebensmittel gewonnen. (Bildquelle: © Jan Homann/ wikimedia.org/ CC0)
Das „neue“ Enzym „PTST“ erfüllt zusammen mit einem bereits bekannten eine wichtige Funktion bei der Stärkesynthese. Damit zeigen die Wissenschaftler auch, dass auch bei alt bekannten Biosynthesen noch immer wissenschaftliches Neuland betreten werden kann.
Stärke (C6H10O5) ist eins der wichtigsten Kohlenhydrate in Pflanzen. Sie entsteht tagsüber, wenn die aus dem Calvinzyklus stammenden Glukosemoleküle in lange Ketten aneinander gehängt und in Stärkekörnern im Chloroplasten oder in anderen Pflanzenorganen gelagert werden. Und nicht nur für die Pflanze ist Stärke von Bedeutung: Sie gilt auch als wichtigstes Kohlenhydrat in der menschlichen Ernährung und gewinnt immer größere Bedeutung in der Industrie. Trotzdem weiß man immer noch wenig über die Synthese von Stärke in Pflanzen. In einer neuen Studie sind die Forscher jetzt einem weiteren wichtigen Enzym auf die Spur gekommen.
Amyloplasten sind Organellen, deren Funktionen die Erstellung und Speicherung von Stärke sind. Das Bild zeigt Amyloplasten in einer Kartoffelzelle.
Bildquelle: © Mnolf/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0
Zwei Formen
Stärke kommt in den Pflanzen in zwei Formen vor: Zum kleineren Teil (bis 30 Prozent) als Amylose und zum größeren Teil als Amylopektin (mindestens 70 Prozent). Amylose besteht aus langen Ketten, die in einer Spiralform (Helix) vorliegen. Die einzelnen Glukosemoleküle werden jeweils am 1. und 4. C-Atom miteinander verknüpft. Amylopektin besteht ebenfalls aus langen Ketten aus Glukosemolekülen, die am 1. und 4. C-Atom verbunden sind, zusätzlich aber an etwa jedem 20. bis 30. Molekül eine Seitenkette ausbilden. Diese wird am 6. C-Atom eines Glukosemoleküls angebaut, so dass Amylopektin eine baumähnliche Struktur entwickelt.
Diese unterschiedlichen Formen der beiden Hauptbestandteile der Stärke geben ihnen auch unterschiedliche Eigenschaften: Während Amylopektin aufgrund seiner verzweigten Struktur beispielsweise gut in Wasser löslich ist, neigt die „zweiglose“ Amylose dazu, aufgenommenes Wasser wieder abzugeben, also zu rekristallisieren. In der Industrie wird Amylopektin zum Beispiel zur Herstellung von Kleistern und Klebern genutzt, aus Amylose werden biologisch abbaubare Lebensmittelverpackungen hergestellt.
Trennung erwünscht
Je nachdem, wofür man Stärke nutzen möchte, ist ein möglichst hoher Gehalt einer der beiden Formen erwünscht. Anstatt gewonnene Stärke in ihre beiden Bestandteile zu trennen, was einen hohen Energie- und Wasserverbrauch bedingt, sucht die Wissenschaft nach Möglichkeiten, in Pflanzen möglichst nur eine der beiden Formen zu erzeugen, wie zum Beispiel in der gentechnisch veränderten Kartoffel „Amflora“, die nur Amylopektin produziert.
Das setzt allerdings voraus, dass man die Abläufe bei der Synthese kennt und da hapert es noch. Daher suchten die Forscher in ihrer neuen Studie in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana nach Enzymen, die in die Synthese von Amylose mit eingebunden sind. Denn hier ist bisher nur ein Enzym bekannt, die sogenannte GBSS („Granule Bound Starch Synthase“), während man beim Amylopektin insgesamt sechs Enzyme kennt.
Die Amflora-Kartoffel bildet reine Amylopektin-Stärke für den technischen Gebrauch, z. B. zur Herstellung von Papier, Textilien oder Klebstoff. Vorteilhaft ist dabei, dass Amylopektin-Stärke nicht geliert.
Bildquelle: © BASFPlantScience/ wikiemedia.org/ CC BY 2.0
PTST, das „neue“ Enzym
Die Forscher wählten im Genom von Arabidopsis thaliana ein Enzym aus, von dem bereits vermutet wurde, dass es an der Stärkesynthese beteiligt ist. Um ihre Hypothese zu testen, verwendeten sie Mutanten, die dieses Protein nicht besaßen. Diese Pflanzen produzierten in der Folge nur Amylopektin. Die Amylosesynthese war zum Erliegen gekommen. Dazu zeigte sich, dass das Amylose-produzierende Enzym GBSS in der Stärke ebenfalls kaum noch nachweisbar war.
Daraus folgerten die Wissenschaftler, dass GBSS und das „neue“ Enzym irgendwie zusammenarbeiten. Sie nannten das neue Enzym daher PTST („Protein Targeting To Starch“), da sie vermuteten, dass es eine wichtige Funktion bei der Bindung von GBSS an die Stärke erfüllt. Zum Nachweis ihrer Theorie nutzten die Forscher mit fluoreszierenden Farbstoffen markierte PTST-Enzyme, um ihre Position in lebenden Pflanzen verfolgen zu können. Es zeigte sich, dass GBSS tatsächlich auf PTST angewiesen ist, um seine Funktion zu erfüllen.
Die Aufgabe von PTST besteht dabei in einem direkten Transport: Es bindet an ein Molekül GBSS und transportiert es zum Stärkekorn. Dort dockt es kurz an die Stärke an, um GBSS abzuliefern und kehrt anschließend ins Stroma zurück, um ein neues GBSS herauszufischen, während GBSS mit der Amylosesynthese beginnt. Fehlt PTST, kann GBSS keine Amylose synthetisieren, weil es offenbar nicht allein an die Stärke binden kann.
Ein wichtiger Schritt
Die Klärung der Funktion dieses Enzyms ist ein wichtiger Schritt bei der Erforschung der Stärkesynthese, betonen die Forscher. Denn mit diesem Enzym gibt es neben GBSS eine weitere Möglichkeit, die Amylosekonzentrationen in einer Pflanze zu steuern. Das kann sowohl für industrielle als auch für die Lebensmittelproduktion von großer Bedeutung sein, auch wenn noch einiges an Forschung nötig ist.
Quelle: Seung, D. et al (2015): PROTEIN TARGETING TO STARCH is required for localising GRANULE-BOUND STARCH SYNTHASE to starch granules and for normal amylose synthesis in Arabidopsis. In: PLoS Biology, (24. Februar 2015), dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1002080
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Titelbild: Stärkekörner: Aus Speicherorganen wie der Kartoffelknolle wird die eingelagerte Stärke zu industriellen Zwecken oder zur Verwendung als Lebensmittel gewonnen. (Bildquelle: © Jan Homann/ wikimedia.org/ CC0)
