Freiburg, Germany
July 21, 2017
Rice Plant. Photo: Peter Beyer
The lack of vitamin A in food is a major cause of health problems worldwide and can lead to blindness and even death. This is especially a problem in threshold or third-world countries, where children are likely to suffer from a lack of vitamin A or its precursor beta-carotene due to malnourishment. Among their many functions, carotenoids are responsible for the bright orange color of sweet potatoes as well as their namesake, the carrot. Thanks to its intense color, beta-carotene is used in the food industry in soft drinks, yoghurts, and other food and is known as food coloring E160. Rice, which is the most important basic nutrient in Asia, has no beta-carotene in its kernel, but there are carotenoids in the leaves of the rice plant. These long, fat-soluble pigments are used by the plant not only in photosynthesis, during which the plant generates energy and oxygen, but in other processes as well.
One of the first precursors to beta-carotene is phytoene, which is colorless and not water-soluble and can be found in the lipid bilayer of plastid organelles – in other words, in the outer layer of these closed cellular compartments, which is involved in many processes including photosynthesis. Here, the enzyme phytoene desaturase (PDS) transforms the phytoene into the next intermediate of synthesis, which already has a yellowish color. Researchers in the labs of Prof. Dr. Peter Beyer at the Faculty of Biology and Prof. Dr. Oliver Einsle at the Faculty of Chemistry and Pharmacy of the University of Freiburg have successfully elucidated the three-dimensional structure of phytoene desaturase in rice, along with the mechanism of phytoene transformation. In order to achieve this, Dr. Sandra Gemmecker and Anton Brausemann had to isolate the highly pure enzyme and crystalize it, so they could obtain a three-dimensional structural image through diffraction experiments with X-rays. They then discovered that the PDS becomes partially immersed in the lipid bilayer of the plastid organelles and contains a hydrophobic tunnel that leads into its interior. Catalysis begins when the phytoene molecule enters this tunnel and reaches the reaction center of the enzyme, where one half of the phytoene molecule is transformed into the next intermediary carotenoid stage. After this intermediary product leaves the tunnel the same way it came, it enters another PDS enzyme right next to the first, where it is completely transformed. A helper molecule known as a quinone then regenerates the enzyme. The quinone accesses the enzyme through the same tunnel and takes up excess electrons, thereby preparing the enzyme for the next reaction cycle.
If the PDS enzyme in a plant does not function properly, for example due to a reaction to a herbicide, then the plant's seedlings become pale and whitish instead of green and the plant dies within a few days. Since the early twentieth century, scientists worldwide have been working to reveal the exact mechanisms of carotene synthesis. This has proven difficult, however, due to the complicated composition of various enzyme complexes and because of their relatively low numbers in plant cells. The researchers from the University of Freiburg were able to elucidate the structure of the PDS enzyme using a specialty: They added a molecule of norflurazon, an herbicide developed in the 1970s, during the isolation of PDS. Due to the presence of norflurazon, PDS is deactivated and thus no longer available to the growing plant, causing it to bleach and die. Knowledge about the position and orientation of this bleaching herbicide within the enzyme can therefore be useful to researchers when developing new agents in the future. It is now also possible to induce specific changes in the sequence of the enzyme and use biotechnological procedures to give crops an advantage over weeds.
Original Publication:
Anton Brausemann, Sandra Gemmecker, Julian Koschmieder, Sandro Ghisla, Peter Beyer & Oliver Einsle (2017) Structure of Phytoene Desaturase Provides Insights into Herbicide Binding and Reaction Mechanisms Involved in Carotene Desaturation. Structure. DOI: 10. 1016/j. str. 2017. 06. 002
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Wegbereiter für Vitamin A in Reis - Freiburger Biochemiker klären Struktur von Carotinoid-lieferndem Enzym auf
Die Unterversorgung mit Vitamin A in Nahrungsmitteln bedingt weltweit gesundheitliche Probleme, die zu Erblindung oder gar zum Tod führen können. Betroffen sind in Schwellen- und Drittwelt-Ländern vor allem Kinder, die aufgrund von Mangelernährung zu wenig Vitamin A oder dessen Vorstufe Beta-Carotin zu sich nehmen. Carotinoide sorgen auch für die markante Farbe der namensgebenden Karotten oder der Süßkartoffel, weswegen Beta-Carotin von der Lebensmittelindustrie als Lebensmittelfarbe E160 gerne zur Farbgestaltung von Softdrinks, Joghurts und anderen Nahrungsmitteln verwendet wird. Reis, dem wichtigsten Grundnahrungsmittel Asiens, fehlt zwar das Beta-Carotin im Korn, in den Blättern sind allerdings Carotinoide vorhanden. Die Pflanze nutzt diese langen, fettlöslichen Pigmente in der Photosynthese, bei der Energie und Sauerstoff erzeugt werden, aber auch für andere Prozesse.
Eine der ersten Vorstufen von Beta-Carotin ist das noch farblose Phytoen, das sich in der Lipid-Doppelschicht von Plastid-Organellen – also in der äußeren Hülle dieser abgeschlossenen Zellbereiche, die unter anderem an der Photosynthese beteiligt sind – befindet und nicht in Wasser löslich ist. Es wird von dem Enzym Phytoen-Desaturase (PDS) in die nächste, bereits gelbliche Synthesestufe umgearbeitet. Freiburger Forscherinnen und Forschern aus den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Peter Beyer an der Fakultät für Biologie und Prof. Dr. Oliver Einsle an der Fakultät für Chemie und Pharmazie ist es nun gelungen, die dreidimensionale Struktur der Phytoen-Desaturase aus Reis und mithin den Mechanismus der Phytoen-Umwandlung aufzuklären. Dazu mussten Dr. Sandra Gemmecker und Anton Brausemann das Enzym hochrein isolieren und kristallisieren, um durch Beugungsexperimente mit Röntgenstrahlen ein dreidimensionales Strukturbild zu erhalten. Dabei stellten sie fest, dass PDS teilweise in die Lipid-Doppelschicht der Plastid-Organellen eintaucht und ein wasserabweisender Kanal in das Innere des Enzyms weist. Über diesen Kanal findet in einem ersten Schritt das Phytoenmolekül den Weg zum Reaktionszentrum des Enzyms, an dem die Umwandlung einer Hälfte des Phytoens zur nächsten Carotinoid-Zwischenstufe stattfindet. Nachdem das Zwischenprodukt den Kanal auf demselben Weg wieder verlassen hat, tritt es in ein weiteres, direkt benachbartes PDS-Enzym ein und wird dort vollständig umgewandelt. Die Regeneration des Enzyms übernimmt ein Helfermolekül, ein so genanntes Chinon, das in denselben Kanal eingeschleust wird, überschüssige Elektronen aufnimmt und somit das Enzym für die nächste Runde der Umwandlung vorbereitet.
Funktioniert PDS in einer Pflanze nicht richtig, beispielsweise durch Wechselwirkung mit einem Pflanzenschutzmittel, sehen die Sämlinge der Pflanze nicht mehr grün, sondern blass weißlich aus und die Pflanze geht nach wenigen Tagen ein. Bereits seit dem frühen 20. Jahrhundert suchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit in Pflanzenextrakten nach immer genaueren Mechanismen der Carotin-Synthese, doch wegen der komplizierten Zusammensetzung verschiedener Enzymkomplexe und ihrer relativ geringen Anzahl in den Pflanzenzellen gestaltete sich die Suche schwierig. Die Strukturaufklärung des Enzyms PDS gelang den Freiburger Wissenschaftlern mit einer Besonderheit: Am Reaktivzentrum befand sich ein Molekül des in den 1970er Jahren entwickelten Pflanzenschutzmittels Norflurazon, das bei der PDS-Isolierung zugegeben wurde. Durch die Anwesenheit von Norflurazon wird PDS deaktiviert und steht für die wachsende Pflanze nicht mehr zur Verfügung, was zum Bleichen der Pflanze und ihrem Absterben führt. Die Position und Orientierung dieses Bleich-Herbizids im Inneren des Enzyms kann somit künftigen Forschern die Grundlage für neue Pflanzenschutzmittel zur Bekämpfung von Unkraut bieten. Zudem ist es nun möglich, gezielt einzelne Veränderungen in der Sequenz des Enzyms herbeizuführen, um mittels grüner Gentechnik einer Nutzpflanze einen Vorteil gegenüber dem Unkraut zu verschaffen.
Originalpublikation:
Anton Brausemann, Sandra Gemmecker, Julian Koschmieder, Sandro Ghisla, Peter Beyer & Oliver Einsle (2017) Structure of Phytoene Desaturase Provides Insights into Herbicide Binding and Reaction Mechanisms Involved in Carotene Desaturation. Structure. DOI: 10.1016/j.str.2017.06.002
Informationen zu dem mit Beta-Carotin angereicherten Goldenen Reis2
Species
