Im Vordergrund stehen die Substanzklassen Alkaloide, Herzglykoside und Terpene. Neben der Frage ihrer Analytik und Strukturaufklärung mittels MS und NMR interessiert uns ihre Biosynthese, Kompartimentierung, Fern- und Nahtransport (insbesondere die Mechanismen des Transports über Biomembranen), Turnover und ihre Regulation. Dieses Basiswissen wollen wir nutzen, um pflanzliche Sekundärstoffe in Zell- und Organkulturen (z.B. Wurzelkulturen, die mit Agrobacterium rhizogenes transformiert wurden) zu produzieren, aber auch um zu verstehen, wie, weshalb und wozu solche Verbindungen von der Pflanze synthetisiert werden. In diesem Zusammenhang untersuchen wir die biologische Wirkung und die Wirkorte ("Molekulare Targets") der isolierten Naturstoffe in Organismen, die mit den Pflanzen in Konkurrenz stehen oder diese als Nahrungsquelle ausbeuten (pathogene Mikroorganismen und Pflanzenfresser). Viele der Sekundärstoffe sind chemische Abwehr- oder Signalsubstanzen, die in der Evolution auf bestimmte Zielstrukturen hin optimiert wurden (sog. "evolutionäres molekulares Modelling"). Über diese Analysen kann die Wirkungsweise der Naturstoffe besser verstanden werden, die dann möglicherweise als neue Wirkstoffe direkt oder nach partialsynthetischer Abwandlung im Bereich Medizin/Pharmazie oder Landwirtschaft eingesetzt werden könnten.

Analytik von Naturstoffen
Nur ca. 15-20% aller Pflanzen wurden bislang phytochemisch bearbeitet. Deshalb ist es nach wie vor wichtig, die Zusammensetzungen und Strukturen pflanzlicher Naturstoffe zu untersuchen, um neue Wirkstoffe zu finden (Bioprospektion). Hierzu setzen wir chromatische Verfahren wie GLC, HPLC insbesondere spektroskopische Methoden wie MS und NMR ein. Ein Schwerpunkt liegt auf der Analytik der Chinolizidin-, Pyrrolizidin-, und Tropanalkaloide, Herzglykoside, Terpene (Mono-, Sesqui- und Diterpene, Saponine) und Phenole (Isoflavone). Neben der Analyse von Pflanzen wird auch die chemische Zusammensetzung phytophager Insekten sowie der Metabolismus und Abbau von Sekundärstoffen in Tieren und in der Umwelt (Wasser, Boden) bearbeitet.

Beteiligte Mitarbeiter: F. Sporer, B. Wetterauer, T. Kuljanabhagavad ; Alumni: Dr. M. Distl, Dr. A. Hundsdörfer, Dr. P. Ibieta, Dr. K. Sesterhenn, Dr. J. Tshibangu, Dr. S. Dej-Adisai, Dr. A. Tei, Dr. J. Emmert, Dr. R. Zayed, Prof. Dr. Assem El-Shazly (Zagazig), Dr. Girma Woldemichael, Dr. M.-S. Wahrendorf, Dr. K. Bermudez Torres, Dr. K. Asres (Äthiopien), C. Meißner, Dr. M. Sauerwein

Analytik von Alkaloiden

Forschungsprojekt Nahrungsmittelsicherheit der Landesstiftung Baden-Württemberg

Entwicklung verlässlicher Nachweisverfahren für toxische Steroid-Glycoalkaloide in Kartoffeln, Tomaten und daraus zubereiteten Produkten

Biochemie des Sekundärstoffwechsels

Arbeiten zu Biosynthese, Transport, Kompartimentierung und Abbau von pflanzlichen Sekundärstoffen (insbesondere Alkaloide, Iridoidglykoside, Flavonoide) in Zellsuspensions- und Wurzelkulturen. Parallel dazu werden die Prozesse in der intakten Pflanze analysiert. Die Arbeiten erfolgen auf physiologischer, biochemischer und molekularbiologischer Ebene. In diesem Rahmen wird auch die Funktion der nach Transformation und Agrobakterien produzierten Opine untersucht. Die Biosynthese-, Transport- und Regulationsprozesse bei der Produktion von Naturstoffen sind protein- bzw. enzymabhängig und damit letztendlich genkodierte Prozesse. Ein weiteres Ziel unserer Forschung ist die Isolierung der Gene der Sekundärstoff-Biosynthese und deren Membrantransport. Bislang ist es uns gelungen, eine Lysindecarboxylase-Gen aus Bakterien zu isolieren und das rekombinant zu exprimieren. Unter den Transportproteinen gelang es, aus einer cDNA das Gen für einen Glucose-Transporter zu isolieren und in Hefe zu rekonstituieren. Langfristig könnten die Ergebnisse dieser Forschung genutzt werden, um Biosynthesewege in andere Pflanzen zu überführen und damit eine Resistenzsteigerung gegenüber Herbivoren zu erreichen. Zum anderen wird es vermutlich möglich sein, solche Gene in Mikroorganismen zu exprimieren und in diesen Alkaloide herstellen zu lassen, so wie man jetzt bereits bei der Antibiotikaproduktion in Fermentern verfährt.

Beteiligte Mitarbeiter: H. Staudter, K. Varga, B. Wetterauer; Alumni: Dr. K. Sesterhenn, Dr. E. Wildi, Dr. M. Distl, Dr. J. Tshibangu, Dr. R. Perrey, Dr. R. Warskulat, Dr. T. Schwend, I. Redwanz, Dr. P. Lehmann, Dr. M. Hanke, M. Schneider, M.T. Hauser, Dr. P. Mende

Kooperation: Firma Rootec (Heidelberg), Prof. A.-W. Alfermann (Düsseldorf), Firma Wild, P. Lehtonen (Finnland), Prof AP Rauter (Portugal),

Molekulare Targets pflanzlicher Sekundärstoffe
Pflanzen produzieren Alkaloide und andere Sekundärstoffe primär zur chemischen Verteidigung. In diesem Projekt wird bei ca. 100 ausgewählten Naturstoffen getestet, ob sie mit DNA, der Proteinbiosynthese, den Biomembranen, Neurorezeptoren, Ionenkanälen und Signaltransduktion interagieren oder Apoptose auslösen können. Außerdem werden ihre antibakteriellen, antifungalen, insektiziden und herbiziden Eigenschaften bestimmt. Diese Arbeiten dienen zum besseren Verständnis der Evolution der chemischen Verteidigung bei Pflanzen und zum Abklären, ob und wie das "evolutionäre molecular Modelling" stattgefunden hat. Zum anderen sollen neue Wirkstoffe für Landwirtschaft und Medizin/Pharmazie entdeckt werden.

Beteiligte Mitarbeiter: H. Staudter, F. Sporer, F. Herrmann, D. Kaufmann, L. Zhao, S. Mulyaningsih, E. Nibret Semegn, S. Abbas, M. Abdi-Saidami, S. Y. M. Eid, G. Pakalapati, M. Ashour, A. Tahrani, A.-L. Bohlender, M. Z. El-Readi, T. Kuljanabhagvad, K. Varga, B.Wetterauer, Alumni: Dr. M. Möller, Dr. V. Rosenkranz, Dr. J. Schabacker, Dr. S. K. Noureni, Dr. Y. Ma, Dr. K. Sesterhenn, A. Starke, Dr. R. Aguiar, Dr. V. Theile, Dr. B. Latz-Brüning, Dr. M.-S. Wahrendorf, Dr. S. Minas, Dr. T. Schmeller, Dr. F. Holzinger,

Kooperation: Prof. Fink & Mitarbeiter (Heidelberg), Prof. Y. Zu, Dr.J. Fu (Harbin University), Schwabe GmbH, Wild GmbH, Dr. S. Chrubasik, Dr. T. Ruppert (ZMBH, Heidelberg), Dr. D. Steverding (Norwich), Prof. Dr.A. Ruppel (TMH),

Klonierung und Charakterisierung von Transporter-Proteinen
Der Transport polarer Metaboliten über den Tonoplasten in die Vacuole spielt für Pflanzen eine überaus wichtige Rolle. Ziel des Projektes ist die Klonierung der zugehörigen Membrankarrier, ihre Expression und Modulation. Weitere Transporter von Interesse sind der Glucosetransporter, Na-K-ATPase und ABC Transporter, die für den Transport von Naturstoffen im Körper verantwortlich sein können.

Beteiligte Mitarbeiter: Dr. H. Schäfer, Alumni: Dr. J. Schabacker, Dr. Y. Ma, A. Starke, Dr. A. Szenthe, Dr. T. Schwend

Kooperation: Prof. Fricker (Heidelberg); Prof Dr. U. Lüttke (Darmstadt)