Polymerbiochemie
Leben basiert auf Polymeren. Das bekannteste Beispiel ist natürlich die DNA, denn heute weiß jedes Kind, dass die DNA Gene enthält, die den Code des Lebens bilden. Die DNA ist, wie die RNA, ein langes unverzweigtes Polymer aus Nukleotiden. Diese Informationen werden zur Herstellung einer anderen Art von Polymeren, den Proteinen, verwendet. Auch diese Polymere sind unverzweigte Ketten, bestehen aber aus Aminosäuren. Diese Ketten haben die erstaunliche Fähigkeit, sich zu spezifischen dreidimensionalen Strukturen zu falten, wodurch sie als kleine molekulare Maschinen wirken können.
So wichtig diese beiden Polymere auch sind, eine dritte Klasse von Polymeren wird in der Regel weniger beachtet, ist aber mindestens ebenso wichtig: die aus Zucker hergestellten Polymere. Das prominenteste Beispiel ist die Substanz, die die Hälfte der Kalorienaufnahme des Menschen liefert: Stärke. Im Gegensatz zu den obigen Beispielen besitzt Stärke eine komplexe verzweigte Struktur, enthält aber nur eine einzige Monomerart, nämlich den Zucker Glukose. Glykane, wie die zuckerbasierten Polymere genannt werden, spielen in vielen Bereichen des Lebens eine zentrale Rolle. Gemessen an der Masse ist die Energiespeicherung sicherlich die dominierende Rolle, aber Glykane sind auch an den Signalprozessen zwischen Zellen beteiligt, sie sind zentrale Bestandteile der Zellwände, die z.B. Bäumen die Stabilität geben, die sie benötigen, um über 100 m zu wachsen, sie spielen sogar eine Rolle bei der Immunabwehr.
Der Auf- und Abbau von Polymeren, insbesondere von verzweigten Polymeren wie Glykanen, ist ein komplexer Prozess, an dem eine Vielzahl von Enzymen beteiligt sind. Einige Glykane, wie z.B. Stärke, sind unlöslich, so das Synthese- und Abbauprozesse auf einer komplexen Oberfläche ablaufen - und nicht in Lösung, wie man es üblicherweise bei der isolierten Untersuchung biochemischer Prozesse betrachtet. Darüber hinaus führen viele Enzyme, die am Glykanstoffwechsel beteiligt sind, ein bestimmtes, genau definiertes Reaktionsmuster durch, aber sie sind extrem flexibel, wenn es um die genaue Beschaffenheit ihrer Substrate geht. Oft erkennen Enzyme nur ein bestimmtes Ende eines Polymers, aber es ist ihnen egal, wie der Rest aussieht. Dies führt zu der Komplikation, dass ein solches Enzym eine enorme Anzahl unterschiedlicher chemischer Reaktionen katalysieren kann.
All diese Probleme machen es sehr kompliziert, konsistente und vereinheitlichende Beschreibungen für die auf Polymere wirkenden Enzyme zu finden. In unserer Forschung zielen wir darauf ab, neue theoretische Konzepte zu entwickeln, die es uns ermöglichen, die Wirkung dieser Enzyme zu verstehen. Mit einem solchen Verständnis hoffen wir, die Synthese- und Abbauprozesse von Polymeren mit einer solchen Präzision steuern zu können, dass wir maßgeschneiderte Polymere für bestimmte Zwecke entwerfen können.
Gegenwärtig sind wir an vier verschiedenen Projekten zur Polymerbiochemie beteiligt, jedes von ihnen ist Teil eines Verbundkonsortiums, zu dem auch experimentelle Teams gehören. Wir entwickeln mathematische und numerische Ansätze, um präzise wissenschaftliche Fragen mit Methoden und Werkzeugen anzugehen, die zu denen unserer Mitarbeiter komplementär sind.
Das Projekt DesignStarch, das im Rahmen des ERA-CAPS-Programms von der DFG, dem BBSRC (UK) und dem SNF (CH) finanziert wurde, geht zu Ende. Drei Jahre lang haben wir theoretische und synthetische Ansätze angewandt, um den Prozess der Stärkesynthese in Hefe, einem Organismus, der normalerweise keine Stärke produziert, zu rekonstruieren.
Das vom BMBF geförderte Projekt CornWall wurde kürzlich verlängert. Hier stehen wir vor der industriellen Herausforderung, landwirtschaftliche Rückstände von Nutzpflanzen in wertvolle Chemikalien umzuwandeln. Die pflanzliche Zellwand besteht aus mehreren Polymeren, darunter reichlich Polymere auf Zuckerbasis, die als Cellulose und Hemicellulose bezeichnet werden. Wir konzentrieren uns auf die Extraktion und den Abbau dieser Polymere, was für den industriellen Umwandlungsprozess von zentraler Bedeutung ist, aber bisher nur begrenzt möglich ist.
Wir sind auch Teil eines von der Europäischen Kommission finanzierten Marie Skłodowska-Curie Initial Training Network, das zwei verschiedene Doktorandenprojekte in unserem Laboratorium bewilligte. Das PoLiMeR-Konsortium erforscht den Metabolismus und die Regulation von Polymeren in der Leber (Glykogen und Lipide). Durch die Sammlung von Daten und die Erstellung von Modellen wollen wir die gemeinsamen Grundprinzipien verstehen, die seltene und spezifische Stoffwechselkrankheiten erklären können.
Kontakt: Dr. Adélaïde Raguin, Yvan Rousset, Chilperic Armel Foko Kuate, Prof. Dr. Oliver Ebenhöh
Wichtige Publikationen
- Kartal, Ö., & Ebenhöh, O. (2013). A generic rate law for surface-active enzymes. FEBS letters, 587(17), 2882-2890.
- Kartal, Ö., Mahlow, S., Skupin, A., & Ebenhöh, O. (2011). Carbohydrate‐active enzymes exemplify entropic principles in metabolism. Molecular systems biology, 7(1), 542.
- Prats, C., Graham, T. E., & Shearer, J. (2018). The dynamic life of the glycogen granule. Journal of Biological Chemistry, 293(19), 7089-7098.
- Raguin, A., & Ebenhöh, O. (2017). Design starch: stochastic modeling of starch granule biogenesis. Biochemical Society Transactions, 45(4), 885-893.
- Foster, C. E., Martin, T. M., & Pauly, M. (2010). Comprehensive compositional analysis of plant cell walls (lignocellulosic biomass) part II: carbohydrates. JoVE (Journal of Visualized Experiments), (37), e1837.
- van Eunen, K., Simons, S. M., Gerding, A., Bleeker, A., den Besten, G., Touw, C. M., ... & Bakker, B. M. (2013). Biochemical competition makes fatty-acid β-oxidation vulnerable to substrate overload. PLoS Comput Biol, 9(8), e1003186.
- Pfister, B., Zeeman, S. C., Rugen, M. D., Field, R. A., Ebenhöh, O., & Raguin, A. (2020). Theoretical and experimental approaches to understand the biosynthesis of starch granules in a physiological context. Photosynthesis Research, 1-16.
Weiterführende Literatur