Ein Taxi zum Stärkekorn

St?rke dient Pflanzen als Energiespeicher, und als Bestandteil der Nahrung Mensch und Tier als wichtige Kohlenhydratquelle. Ausserdem wird sie in der Lebensmittel-, Bau-, Papier- und Textilindustrie gebraucht. Ein f¨¹r Menschen eher schwer verdaulicher Bestandteil der St?rke, die Amylose, dient unter anderem als Binde- oder Geliermittel in der Nahrungsindustrie.

Trotz der hohen Bedeutung der St?rke f¨¹r Pflanze, Mensch und Industrie, versteht die Forschung nur unvollst?ndig, wie sie gebildet wird. Forscherinnen und Forscher aus der Gruppe von Samuel Zeeman, Professor f¨¹r Pflanzenbiochemie der ETH Z¨¹rich, haben nun ein wichtiges Puzzleteil gefunden, welches das Bild des St?rkeaufbaus erg?nzt. Dies berichteten sie soeben in der Fachzeitschrift ?Plos Biology?.

Solarer Energiespeicher

Tags¨¹ber, wenn die Sonne scheint, betreiben gr¨¹ne Pflanzen Photosynthese. Sie stellen dabei mit Kohlendioxid aus der Luft Zucker her, der ihren Stoffwechsel befeuert. ?bersch¨¹ssiger Zucker wird in St?rkek?rner umgewandelt, welche die Pflanzen in ihren Bl?ttern speichern. Nachts, wenn die Energie ben?tigt wird und die Photosynthese stillsteht, zapfen Pflanzen diesen Zuckerspeicher an.

St?rke ist jedoch mitnichten etwas Einheitliches, sondern sie besteht aus verschiedenen Komponenten; zu einem gr?sseren Teil aus dem sogenannten Amylopektin, einem reich verzweigten leicht verdaubaren Mehrfachzucker, und zu einem kleineren Teil aus der linear aufgebauten Amylose.

Neues Gen entdeckt

Bis anhin kannte man nur ein Enzym, das, auf St?rkek?rner sitzend, am Aufbau der Amylose beteiligt ist. Ohne dieses molekulare Maschinchen, das als Granular Bound Starch Synthase (GBSS) bekannt ist, kann die Pflanze keine Amylose aufbauen.

Mit einer systematischen Suche in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) nach weiteren m?glichen Genen, die bei der St?rkeproduktion aktiv sind, entdeckten die Forschenden um Zeeman nun eines, das ebenfalls in die Amylosebildung involviert ist. Dieses Gen kodiert f¨¹r ein Protein, das vor¨¹bergehend an GBSS und an St?rke binden kann, um ersteres an seinen Einsatzort zu f¨¹hren. Deshalb benannte der Entdecker des Gens (respektive des Proteins), Zeemans Doktorand David Seung, dieses Molek¨¹l als ?Protein Targeting to Starch? (PTST).

Molek¨¹le bedingen sich gegenseitig

Um seine Rolle zu kl?ren, f¨¹hrten die Forschenden Experimente mit mutierten Pflanzen durch. Diese Mutationen unterdr¨¹ckten die Bildung von PTST. Dies f¨¹hrte dazu, dass den Mutanten auch Amylose komplett fehlte, obwohl der Gesamtgehalt an St?rke gleich hoch war wie in einer Wildpflanze. Die Pflanzenforscher schlossen daraus, dass die Ackerschmalwand f¨¹r den Amyloseaufbau zwingend auf PTST angewiesen ist. Zu ihrer ?berraschung entdeckten die Forscher, dass GBSS, das h?ufigste Enzym das an Pflanzenst?rkek?rner gebunden ist, in mutierten Pflanzen kaum zu finden war. Wie liess sich dies erkl?ren?

Indem die Forschenden die beiden Proteine mit fluoreszierenden Stoffen markierten, konnten sie dieses R?tsel schliesslich l?sen: GBSS braucht PTST, denn dieses ist das Taxi, welches GBSS zu den St?rkek?rnern transportiert. Nachdem PTST das GBSS aufgesammelt hat, ?parkiert? es kurzzeitig auf der Oberfl?che der werdenden St?rkek?rner, um die Fracht abzuladen. Danach l?st sich PTST wieder vom St?rkekorn, w?hrend GBSS mit der Amylose-Synthese weitermacht. Ausserdem scheint das Transportprotein auch f¨¹r die Stabilit?t von GBSS n?tig zu sein. Ohne PTST und ohne Anbindung an das St?rkekorn ist GBSS unstabil.

Das PTST-Taxi beeinflusst auch die Menge der gebildeten St?rke, obwohl es selbst nur ein Transportvehikel ist. Verst?rkten die Wissenschaftler in Versuchspflanzen die Bildung von GBSS, konnten die Pflanzen trotzdem nicht mehr St?rke bilden. ?Es n¨¹tzt wenig, mehr Fahrg?ste aufzubieten, welche St?rke synthetisieren sollen, wenn es an Taxis fehlt?, sagt der ETH-Professor. Umgekehrt stellten die Pflanzenwissenschaftler fest, dass eine Vermehrung der Taxis, also ein verst?rkte Bildung von PTST ebenfalls nicht zu einer Steigerung der St?rkeproduktion f¨¹hrt, da den Taxis die Fahrg?ste fehlen.

St?rkegehalt nach Bedarf?

Das Protein PTST kommt indes nicht nur in der Ackerschmalwand vor. Es ist entwicklungsgeschichtlich konserviert; das heisst, es entstand im Laufe der Evolution der Pflanzen schon fr¨¹h, blieb in den neu entstehenden Arten erhalten und ver?nderte sich seither kaum. So kommt es denn auch in vielen Pflanzen vor, unter anderem in verschiedenen Getreidearten. Welche Rolle es dort spiele, m¨¹sse noch gekl?rt werden, sagt Zeeman. ?Diese Entdeckung zeigt uns dennoch einen m?glichen Weg auf, mit dem wir den Amylose-Gehalt in Nutzpflanzen bedarfsgerecht regulieren k?nnen?, sagt der Pflanzenwissenschaftler.

Die neue Erkenntnis k?nnte dereinst dazu genutzt werden, um reine Amylose f¨¹r industrielle Anwendungen zu erzeugen. Amylose kann als Lebensmittelzusatz zur Gelierung von Saucen oder Puddings sowie zur Produktion von biologisch abbaubaren Verpackungen genutzt werden. Dies sei der Grund daf¨¹r, weshalb sie ihre Entdeckung mit einem Patentantrag, den sie ¨¹ber ETH Transfer stellten, sch¨¹tzen.

Die spezielle Funktion von PTST entdeckte David Seung w?hrend seiner Doktorarbeit. Der Australier erhielt zuvor einen ETH Excellence Scholarship, was ihm erm?glichte, f¨¹r seine Masterausbildung nach Z¨¹rich zu kommen.