Stärke aus Hefe
Forschende der ETH Zürich haben mit der Hefe erstmals einen nichtpflanzlichen Organismus dazu gebracht, St?rke zu produzieren. Mit Hilfe des neuen Modellsystems k?nnen sie nun einfach erforschen, wie St?rke gebildet wird und welche Rolle die beteiligten Enzyme dabei spielen. In Zukunft lassen sich in Hefe m?glicherweise gezielte Ver?nderungen an der St?rke ausprobieren.
Eigentlich produzieren nur Pflanzen und Algen St?rke. Neuerdings kann das auch Hefe. Zumindest die in den Labors der Gruppe von Samuel Zeeman, Professor für Pflanzenbiochemie am Institut für Agrarwissenschaften der ETH Zürich. Den Forschenden ist es gelungen, Hefe die pflanzliche Maschinerie einzubauen, die den Speicherzucker herstellt. ?Ein Novum?, wie Zeeman betont.
Pflanzliche Enzyme transferiert
Um dieses Ziel zu erreichen, entnahm Barbara Pfister, die federführende Forscherin in diesem Projekt, dem Genom der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) die Baupl?ne für sieben an der St?rke-Synthese beteiligte Enzyme. Diese pflanzte sie ins Genom der Hefe. Dort entfernte sie zus?tzlich alle Enzyme, die am Aufbau von Glykogen, dem Speicherzucker der Hefe, beteiligt sind. Denn diese würden die St?rke-Synthese st?ren.
Insgesamt generierten die Forschenden über 200 Hefest?mme. Einige davon mit allen sieben Enzymen, andere mit verschiedenen reduzierten Sets. Entsprechend produzierten die St?mme entweder St?rke, die der von Arabidopsis stark ?hnelt, keine St?rke oder aber St?rke-Produkte mit unterschiedlich starken Ver?nderungen.
Hefe produziert tats?chlich St?rke
Was die Hefe genau herstellt, untersuchten die Forschenden mit verschiedenen Verfahren. Neben der klassischen Jodf?rbung und etablierten bildgebenden Verfahren wurde auch die am Paul Scherrer Institut neu entwickelte ptychographische externe SeiteKryo-R?ntgentomographie verwendet. Damit bestimmten die Forschenden die Dichte der in der Hefezelle hergestellten Produkte.
Das Resultat: St?mme, die alle sieben Enzyme enthielten, stellten St?rke her, die sich von Arabidopsis-St?rke nur minim unterscheidet. ?berraschend waren allerdings die Produkte von St?mmen, denen einzelne oder mehrere Enzyme fehlten: Je nach Kombination stellten einige davon trotzdem eine Art St?rke her.
St?rke auf Umwegen
?Die St?rke-Synthese ist nicht linear?, erkl?rt Zeeman. ?F?llt ein Enzym aus, arbeiten die verbleibenden trotzdem weiter und bauen einfach ein etwas anderes Produkt.? Die Forschenden konnten auch zeigen, dass die St?rke-Synthese je nach Kombination der anderen Enzyme auch ohne Entzweigungsenzym funktioniert. Dieses entfernt w?hrend der St?rke-Synthese überschüssige Verzweigungen in den entstehenden Zuckerketten und galt bisher für die St?rkebildung als unverzichtbar.
?Das Hefesystem ist momentan ein reines Forschungsinstrument?, sagt der ETH-Professor. Damit sei es m?glich, die St?rke-Synthese zu simulieren und so die individuellen Rollen der beteiligten Enzyme sowie die Bildung der komplizierten Struktur der St?rke genauer zu erforschen. ?Das ist viel schneller und einfacher als in Pflanzen?, betont Zeeman. Nach zukünftigen Anwendungsm?glichkeiten gefragt, fügt er an: ?Natürlich ist es denkbar im Hefe-System neuartige Modifikationen an der St?rke auszuprobieren, und dadurch zu versuchen, ihre Eigenschaften für bestimmte Einsatzgebiete zu verbessern.?
Neue Richtung mit Hefe einschlagen
Für dieses vom SNF finanzierte Projekt hat Zeemans Gruppe das erste Mal mit Hefe gearbeitet. Er und Barbara Pfister m?chten nun in der Hefe die St?rke-Synthese auf der Systemebene genauer erforschen. Dazu arbeiten sie neu mit mathematischen Modellierern zusammen, um den Prozess im Computermodell zu simulieren.
St?rke ist als Inhaltsstoff von Nahrungsmitteln, wie zum Beispiel Mais, Reis oder Kartoffeln wichtig. Sie ist für die Herstellung von biologisch abbaubaren Werkstoffen h?chst interessant. Und sie wird an vielen Orten angewandt, wo man sie nicht erwarten würde, wie zum Beispiel zur Beschichtung von Papier. Der Werkstoff wird für verschiedene Anwendungen weiter optimiert.
Literaturhinweis
Pfister B, Sánchez-Ferrer A, Diaz A, Lu K, Otto C, Holler M, Razvi Shaik F, Meier F, Mezzenga R, Zeeman SC. Recreating the Synthesis of Starch Granules in Yeast. Elife, published on November 22, 2016, DOI externe Seite10.7554/eLife.15552.