Germany
October 30, 2015
Medically relevant compounds can be enriched in tomatoes to produce industrial quantities of pharmaceuticals at natural basis - Saleh Alseekh, Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology
Fruits and vegetables are healthy. This is something every child knows. However, we would need to consume high amounts of many plant products to achieve an efficient dose of helpful natural compounds, because those are often low-concentrated in plants.
Scientists of Dr. Alisdair Fernie’s research group at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology (MPI-MP) and of Prof. Cathie Martin’s group from the John Innes Center, England, described a possibility to use crop plants for large scale production of natural compounds. They published their findings in the journal “Nature Communications”.
Medically relevant substances in plants are so called secondary metabolites, including e.g. pigments and deterrents that enable plants to protect themselves against pests. They are not only useful for the plant itself, but can be helpful for humans as well. The beneficial effects of most medicinal plants are a consequence of them containing these substrates.
Two medical compounds, namely resveratrol and genistein, belong to the phenylpropanoides. Resveratrol is found in grapes naturally and it has been reported to extend the lifespan of different animals. Genistein, a secondary product in soybean, has been suggested to play a role in the prevention of different cancers, particularly breast cancer. However, nobody has the ability to drink 50 bottles of wine or to eat 2.5kg soybeans per day – this would be the necessary amount of consumption to receive the beneficial dose of these natural products. The researchers in Germany and England sought for another way to make these compounds available.
For this purpose, the scientists analyzed a gene which is responsible for the production of the so called AtMYB12 protein. This protein itself can actively regulate the phenylpropanoid production. The researchers used the model plant Arabidopsis thaliana for their experiments, a herb which is growing all over the world. “This protein is working like a switch, which can turn the production of secondary plant substances on or off”, describes Alisdair Fernie, research group leader at the MPI MP in Potsdam.
The next step was the introduction of this protein into tomato plants to activate the production of requested compounds in the fruits. Additionally, it was necessary to integrate genes for enzymes from grapes or soybean. Herewith, the researchers managed to integrate a new pathway into tomato plants, which allows the production of resveratrol and genistein.
The integration of valuable compounds into tomatoes has economic advantages. The tomato is a high yielding crop - producing up to 500 tons per hectare in countries delivering the highest yields (FAOSTAT 2013). This qualifies them to work as bio-factories to produce industrial quantities of natural compounds of use. Moreover, they are easy to handle: they can be harvested and juiced and the valuable compounds can be extracted from the juice and directly used as pharmaceuticals in medicine. The authors state, that this technique could also be applied to other compounds. Such production systems are easier and faster in contrast to chemical synthesis or through extraction from traditional plant sources which contain only tiny amounts of respective natural products.
Original publication:
Yang Zhang, Eugenio Butelli, Saleh Alseekh, Takayuki Tohge, Ghanasyam Rallapalli, Jie Luo, Prashant G. Kawar, Lionel Hill, Angelo Santino, Alisdair R. Fernie & Cathie Martin
Multi-level engineering facilitates the production of phenylpropanoid compounds in tomato
Nature Communications 6, Article number: 863, 26.10.2015, doi:10.1038/ncomms9635
More information: http://www.mpimp-golm.mpg.de/2025324/biofactories
Pflanzen als Biofabriken - Tomaten sollen Medikamente in industriellem Maßstab herstellen
Obst und Gemüse ist gesund. Das weiß jedes Kind. Doch häufig müssten wir pflanzliche Produkte in riesigen Mengen zu uns nehmen, um die richtige Dosis der hilfreichen Naturstoffe aufzunehmen. Forscher der Arbeitsgruppe von Dr. Alisdair Fernie am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) und um Prof. Cathie Martins vom John Innes Center, England, haben einen Weg aufgezeigt, wie Nutzpflanzen genutzt werden können, um Naturprodukte in großem Maßstab herzustellen. Sie veröffentlichten ihre Studie kürzlich im Wissenschaftsjournal „Nature Communications“.
Medizinisch relevante Stoffe in Pflanzen sind sogenannte sekundäre Inhaltsstoffe. Hierzu gehören z.B. Farbstoffe oder Abwehrstoffe gegen Fraßfeinde. Diese Inhaltsstoffe sind häufig nicht nur für die Pflanze nützlich, sondern auch hilfreich für den Menschen. Viele Heilpflanzen entfalten ihre Wirkung für uns auf diesem Weg.
Zwei dieser Stoffe sind die Phenylpropanoide Resveratrol und Genistein. Resveratrol kommt natürlicherweise in Weintrauben vor und wirkte in verschiedenen Tierstudien lebensverlängernd. Genistein, ein in Sojabohnen vorkommender Sekundärstoff, kann dagegen vorbeugend gegen verschiedene Krebsarten, wie Brustkrebs eingesetzt werden. Aber niemand kann täglich 50 Flaschen Wein trinken oder 2,5 kg Sojabohnen essen, um diese Stoffe in einer wirksamen Menge aufzunehmen. Die Wissenschaftler suchten nun nach einem anderen Weg.
Hierfür untersuchten die Forscher zunächst ein Gen, das für die Produktion des sogenannten AtMYB12 Proteins verantwortlich ist. Dieses Protein kann wiederum die Produktion der Phenylpropanoide steuern. Für ihre Untersuchungen verwendeten die Wissenschaftler die Modelpflanze Arabidopsis thaliana, ein Unkraut, das fast überall auf der Welt vorkommt. „Dieses Protein fungiert wie ein Schalter, der die Herstellung der sekundären Pflanzenstoffe an- und ausschalten kann“, beschreibt Alisdair Fernie, Gruppenleiter am MPI-MP in Potsdam.
In einem nächsten Schritt brachten die Wissenschaftler dieses Protein in Tomatenpflanzen ein, um die Produktion der gewünschten Naturstoffe in den Früchten anzuschalten. Darüber hinaus war es nötig weitere Gene für Enzyme aus der Weintraube oder der Sojabohne einzuschleusen, die es überhaupt ermöglichen, diese Naturstoffe in Tomaten herzustellen. Den Forschern gelang es so einen bisher in Tomaten nicht vorhandenen Stoffwechselweg in die Tomatenpflanzen zu integrieren.
Die Integration der Stoffsynthese in Tomaten ist von großem ökonomischem Vorteil. Sie gehören zu den ertragreichsten Nutzpflanzen mit einer Fruchtproduktion von 500 Tonnen pro Hektar (FAOSTAT 2013) und eigenen sich somit besonders gut als „Biofabrik“ für pflanzliche Stoffe. Die Tomaten können einfach geerntet und ausgepresst werden. Aus dem Saft werden dann die Stoffe direkt extrahiert, so dass sie in der Medizin als Medikamente eingesetzt werden können. Die Forscher können sich vorstellen, dass mit Hilfe dieser Technik auch weitere Stoffe in großem Maßstab gewonnen werden können. Dieser Weg erscheint einfacher und schneller, als die Gewinnung im Labor oder die Gewinnung aus herkömmlichen Pflanzen, die die Produkte nur in geringen Mengen herstellen.
Originalveröffentlichung:
Yang Zhang, Eugenio Butelli, Saleh Alseekh, Takayuki Tohge, Ghanasyam Rallapalli, Jie Luo, Prashant G. Kawar, Lionel Hill, Angelo Santino, Alisdair R. Fernie & Cathie Martin
Multi-level engineering facilitates the production of phenylpropanoid compounds in tomato
Nature Communications 6, Article number: 863, 26.10.2015, doi:10.1038/ncomms9635
Weitere Informationen:
http://www.mpimp-golm.mpg.de/2025301/Biofabriken
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