Forschungsprofil

Die große Vielfalt pflanzlicher Organismen findet einen Ausdruck in der enormen Diversität ihrer Naturstoffe. Diese erhält eine zusätzliche Dimension durch die Veränderung des Musters der Naturstoffe im Laufe der pflanzlichen Entwicklung sowie während der Anpassung an Umwelt- und Standortbedingungen. Die Kenntnis von Struktur und Funktion der Naturstoffe ist Voraussetzung für das Verständnis pflanzlicher Diversität sowie von Entwicklungs- und Adaptationsprozessen und eröffnet neue Ressourcen für eine innovative Nutzung in Pflanzenproduktion, Pflanzenschutz, Biotechnologie und Wirkstoffentwicklung. Mit dem fortschreitenden Erkenntnisgewinn aus der pflanzlichen Genomforschung erhalten diese Erkenntnisse eine fundamentale Bedeutung bei der funktionalen Genomanalyse.

Die umfassende Analyse pflanzlicher und pilzlicher Naturstoffe ist deshalb der zentrale Schwerpunkt im Forschungskonzept des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie, an den sich weitere Forschungsschwerpunkte angliedern. Zur umfassenden qualitativen und quantitativen Erfassung von Naturstoffen in biologischem Material und zur Aufklärung ihrer Struktur werden in einem abteilungsübergreifenden Kompetenzbereich modernste analytische Verfahren eingesetzt und neu entwickelt. Dies bildet die Grundlage zur Untersuchung der biologischen Funktion von Naturstoffen, ihrer Biosynthese und der Entdeckung neuer Wirkstoffe. Die Strukturaufklärung, Synthese und Derivatisierung der Naturstoffe liefern einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung ihrer biologischen Aktivität und zur Erhöhung ihrer Diversität. Die Identifizierung und Isolierung von Biosyntheseenzymen erlaubt den Zugang zu den entsprechenden Genen und damit zum Studium der Regulation der Biosynthesewege und der zellulären und organismischen Organisation ihrer Komponenten.

Die genetisch determinierte pflanzliche Entwicklung und ihre Modulation im Rahmen einer optimalen Adaptation an die jeweiligen Umwelt- und Standortbedingungen beruhen auf rezeptorvermittelter Perzeption endogener Signalstoffe beziehungsweise biotischer und abiotischer Umweltparameter. Über zelluläre und systemische Signaltransduktions-Netzwerke werden die Eingangssignale evaluiert, abgeglichen und mittels veränderter Genexpressionsmuster in entsprechende physiologische Reaktionen umgewandelt, die in der Regel auf  transient und lokal veränderten Naturstoffprofilen beruhen. Molekulare Interaktionen bilden die Grundlage der dabei ablaufenden zellulären Funktionen. Ihre interdisziplinäre Analyse ist deshalb von zentraler Bedeutung im Forschungskonzept des Instituts. Rezeptor/Ligand-, Enzym/Ligand- und Protein/Protein-Interaktionen bilden die molekulare Grundlage für diese Prozesse und deren Anwendung in der Wirkstoffforschung. Unter diesem Aspekt werden die Mechanismen interorganismischer Kommunikation zwischen Pflanzen und Symbionten sowie Pathogenen untersucht und die Organisation von Biosynthesewegen und Signaltransduktionsketten analysiert. Dabei kommen unter anderem Transkriptom- und Proteomanalysen zum Einsatz. Darüber hinaus erlaubt die Anwendung und Entwicklung modernster zellbiologischer Methoden im Rahmen abteilungsübergreifender Kooperationen die Analyse der Dynamik molekularer Interaktionen im lebenden Organismus. Die chemische Struktur miteinander in Wechselwirkung tretender Moleküle wird durch gentechnische Verfahren, gerichtete Evolution und chemische Derivatisierung modifiziert, so dass die Effekte der Veränderung an geeigneten Modellen oder in Screeningverfahren untersucht werden können und schließlich Moleküle mit den gewünschten Eigenschaften (z.B. Wirkstoffe, Signalsubstanzen, Enzyme) selektiert werden. Die Grundlage dafür bildet die Entwicklung neuer Synthese- und Selektionsprozesse sowie geeigneter Assay- und Analytikverfahren, unterstützt durch die Visualisierung der Wechselwirkung mittels Modeling.

Diese enge Kombination naturstoffchemischer, biochemischer, molekularbiologischer und zellbiologischer Forschungsansätze ermöglicht neue Zugänge zur Genfunktionsanalyse, die den dritten Forschungsschwerpunkt des Instituts bildet. Im Gesamtkonzept einer auf Transkriptom-, Proteom- und Metabolomdaten basierenden funktionalen Genomanalyse werden Gene identifiziert und charakterisiert, die im Rahmen der Biosynthese und des Metabolismus von Naturstoffen von entscheidender Bedeutung für die pflanzliche Entwicklung und die Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen sind. Dabei ermöglicht der Einsatz von Mutanten und transgenen Pflanzen nicht nur die direkte Analyse der Genfunktion, sondern auch die Erzeugung von Modellpflanzen mit verändertem Naturstoffprofil, neuen gesundheitsrelevanten Inhaltsstoffen oder verbesserter Anpassung an bestimmte Standorte und Umweltsituationen. Solche Pflanzen dürften für die nachhaltige Produktion wertvoller Substanzen und Biokatalysatoren als biologische Testsysteme und für die Züchtung von Bedeutung sein.

Die Speicherung, Auswertung und Verknüpfung der in den Schwerpunkten Naturstoffe, molekulare Interaktionen und Genfunktionsanalyse generierten Daten ist nur mittels Bio- und Chemoinformatik möglich. Insbesondere die Metabolom- und Proteomanalysen und die kombinatorischen Bibliotheken erfordern die Entwicklung neuer Methoden der Datenauswertung, -verarbeitung und -verknüpfung. Am Institut wurde deshalb eine Nachwuchsgruppe Bioinformatik etabliert, die sich im Wesentlichen dieser Problematik widmet. Zusammen mit der Arbeitsgruppe Computerchemie ist damit ein neuer Forschungsschwerpunkt zur Informatik entstanden, der zu einem abteilungsübergreifenden Kompetenzbereich ausgebaut wird. Das Ziel dieses Schwerpunkts ist die integrale Verknüpfung und Bearbeitung der in ihrer Struktur zum Teil völlig unterschiedlichen Datensätze der anderen Forschungsschwerpunkte im Sinne eines besseren Verständnisses des biologischen Systems Pflanze.