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Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich insbesondere mit folgenden Themen:

 

Aufklärung der Carotinoid-Biosynthese (Synthese, Katabolismus, Phytohormon-Produktion, Regulation) und deren translationale Anwendung zur Herstellung verbesserter Grundnahrungsmittel


Carotinoide sind Produkte des plastidären Isoprenoidstoffwechsels. Sie dienen in Pflanzen als Photosynthesepigmente und als als Antioxidantien. Carotinoide sind auch Vorläufer von regulatorischen Molekülen, wie den Phytohormonen Abscisinsäure und Strigolactone. Aus Carotinoiden gehen auch zahlreiche flüchtige Verbindungen hervor, die z.T. Aromen vermitteln und ökologisch wechselwirken. Generell sind bei diesen Synthesen „katabolische“ Reaktionen beteiligt, die durch eine Spaltung des Carotinoid-Vorläufers initiiert werden.
Die Regulation und enzymatische Funktion dieses Netzwerkes aus zahlreichen Verbindungen wird mit Hilfe von Modellpflanzen und nicht-Modellsystemen sowie in vitro untersucht.
Manche Carotinoide und sind auch für die menschliche Ernährung essentiell. Es sind diejenigen, die Provitamin A-Aktivität besitzen, wie das beta-Carotin. Diese werden im tierischen Organismus nach Bedarf zu Retinal gespalten, das zum Retinol reduziert, oder zur Retinsäure oxidiert werden kann. Diese sogenannten Retinoide sind besitzen ausgeprägte physiologische Wirksamkeit.

 

Steigerung des Gehaltes und der Lagerstabilität von Carotinoiden in Golden Rice und anderen Nutzpflanzen


Um Vitamin A-Mangelernährung vorzubeugen, ist die Steigerung des Provitamin A-Gehalts wichtiger Nutzpflanzen wie Reis („Golden Rice“) das Ziel von biotechnologischer Forschung. Bei diesen Arbeiten steht die Anwendung im Vordergrund d.h. neben dem Gehalt auch die verbesserte Lagerstabilität der akkumulierten Carotinoide. Unsere Arbeitsgruppe setzt hierfür neben Transformationstechniken biochemische und analytische Verfahren ein. In Kooperation mit internationalen Verbünden und Forschungsinstituten soll auch die Kombination mit anderen ernährungsphysiologischen Eigenschaften erreicht werden.

 

Grundlegende Mechanismen in der Carotinoid-Biosynthese


Dieses Forschungsfeld umfasst die transkriptionelle und posttranskriptionelle Regulation dieses vielverzweigten Biosyntheseweges. Hinzu kommt die Erforschung der grundlegenden Reaktionen, durch Enzymologie und (in Kooperation) durch Strukturaufklärung. Besonderes Augenmerk liegt derzeit auf den membrangebunden ablaufenden Reaktionen, die in biphasischen (liposomalen) Ansätzen untersucht werden.

 

 

Verbesserung des Metabolitenflusses durch Ansätze der synthetischen Biologie


Die synthetische Biologie eröffnet die Möglichkeit, die Enzyme der Carotinoid-Biosynthese heterolog in neuen Zusammenhängen zu untersuchen und wertvolle Erkenntnisse über die beteiligten Mechanismen und die Topologie der Proteine zu gewinnen. Durch die Neukombination und Reorganisation von Enzymen wird es möglich, den metabolischen Fluss durch den Biosyntheseweg zu kontrollieren und zu optimieren. Für diese neue stöchiometrisch kontrollierte Art des 'pathway engineering' setzt unsere Arbeitsgruppe sowohl bakterielle als auch (in Kooperation mit der hiesigen Abteilung für Synthetische Biologie) auch eukaryotische Systeme ein.

 

Verbesserung des Ertrages


Diese Arbeiten konzentrieren sich auf Reis mit dem Ziel, einen Vorteil auch den Landwirten zu schaffen, die ernährungsphysiologisch verbesserte Sorten (biofortifizierte Sorten) anbauen. Damit soll auch der Preis für biofortifizierte Sorten möglichst niedrig gehalten werden. Die Erforschung von Mechanismen, die den Programmierten Zelltod (Apoptose) steuern, steht dabei im Vordergrund.

 

Entwicklung und Optimierung analytischer Verfahren


Sowohl die Grundlagenforschung, im besonderen Maße aber Arbeiten, die Verbesserungen von Nährstoff-Gehalten zum Ziel haben, bedürfen der qualitativ und quantitativ bestmöglichen Analytik. Daher sind hochauflösende Massenspektrometrie in der flüssigen Phase (LC-MS) und in der Gasphase (GC-MS) sowie HPLC-Verfahren integrale Bestandteile der Arbeiten, die in unserem Labor laufend weiterentwickelt werden.

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Unsere Arbeitsgruppe ist außerdem im Netzwerk PSF|Plant Sciences Freiburg.

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