Wissenschaftler erzeugen aus Stärke erstmals Hefe
Über 200 Stämme generiert - Enzyme spielen eine entscheidende Rolle
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Stärkekörner aus modifizierten Hefen möglich (Foto: ethz.ch, Barbara Pfister) |
Zürich (pte017/23.11.2016/10:30) Forscher der ETH Zürich http://ethz.ch haben mit Hefe erstmals einen nichtpflanzlichen Organismus dazu gebracht, Stärke zu produzieren. Mithilfe des neuen Modellsystems können sie nun einfach erforschen, wie Stärke gebildet wird und welche Rolle die beteiligten Enzyme dabei spielen. In Zukunft lassen sich in Hefe möglicherweise gezielte Veränderungen an der Stärke ausprobieren.
Vorlage Ackerschmalwand
Eigentlich produzieren nur Pflanzen und Algen Stärke. Dank den Schweizer Forschern kann das nun auch Hefe. Den Experten zufolge ist es gelungen, Hefe die pflanzliche Maschinerie einzubauen, die den Speicherzucker herstellt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden dem Genom der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) die Baupläne für sieben an der Stärke-Synthese beteiligten Enzyme entnommen. Diese wurden ins Genom der Hefe eingepflanzt. Anschließend wurden alle Enzyme entfernt, die am Aufbau von Glykogen, dem Speicherzucker der Hefe, beteiligt sind. Denn diese würden die Stärke-Synthese stören.
Insgesamt haben die Wissenschaftler über 200 Hefestämme generiert - einige davon mit allen sieben Enzymen, andere mit verschiedenen reduzierten Sets. Entsprechend produzierten die Stämme entweder Stärke, die der von Arabidopsis stark ähnelt, keine Stärke oder aber Stärke-Produkte mit unterschiedlich starken Veränderungen. Neben der klassischen Jodfärbung und etablierten bildgebenden Verfahren wurde auch die am Paul Scherrer Institut neu entwickelte ptychographische Kryo-Röntgentomographie verwendet. Damit bestimmten die Forschenden die Dichte der in der Hefezelle hergestellten Produkte.
"Stärke-Synthese nicht linear"
Das Resultat der Forschung: Stämme, die alle sieben Enzyme enthielten, stellten Stärke her, die sich von Arabidopsis-Stärke nur minimal unterscheidet. Überraschend waren allerdings die Produkte von Stämmen, denen einzelne oder mehrere Enzyme fehlten: Je nach Kombination stellten einige davon trotzdem eine Art Stärke her. "Die Stärke-Synthese ist nicht linear. Fällt ein Enzym aus, arbeiten die verbleibenden trotzdem weiter und bauen einfach ein etwas anderes Produkt", so ETH-Professor Samuel Zeeman. Er und sein Team konnten auch zeigen, dass die Stärke-Synthese je nach Kombination der anderen Enzyme auch ohne Entzweiungsenzym funktioniert. Dieses entfernt während der Stärke-Synthese überschüssige Verzweigungen in den entstehenden Zuckerketten und galt bisher für die Stärkebildung als unverzichtbar.
"Das Hefesystem ist momentan ein reines Forschungsinstrument", sagt Zeeman. Damit sei es möglich, die Stärke-Synthese zu simulieren und so die individuellen Rollen der beteiligten Enzyme sowie die Bildung der komplizierten Struktur der Stärke genauer zu erforschen. "Das ist viel schneller und einfacher als in Pflanzen", unterstreicht Zeeman. Nach zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten gefragt, fügt er an: "Natürlich ist es denkbar, im Hefe-System neuartige Modifikationen an der Stärke auszuprobieren und dadurch zu versuchen, ihre Eigenschaften für bestimmte Einsatzgebiete zu verbessern."
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