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Leitbild

Im Mittelpunkt der Forschung am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB) stehen die chemische Diversität und Biosynthese sowie die biologischen Funktionen und Wirkmechanismen von pflanzlichen und pilzlichen Naturstoffen, insbesondere von spezialisierten Stoffwechselprodukten und niedermolekularen Signalträgern. Ein Ziel ist es, zu einem möglichst umfassenden Verständnis der Anpassungs- und Entwicklungsprozesse zu gelangen, die aus dem dynamischen Wechselspiel von Pflanzen mit ihrer Umwelt resultieren. Die dadurch bedingte Umsteuerung pflanzlicher Genexpression und die phänotypischen Veränderungen werden in interdisziplinären Forschungsansätzen auf den Ebenen des Genoms, des Proteoms und insbesondere des Metaboloms untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen neue Wege für eine pflanzenbasierte Bioökonomie. Sie dienen einer ressourcen-schonenden Pflanzenproduktion, innovativen Biotechnologie und Wirkstoffentwicklung, und damit der Gesundheit und Ernährung von Mensch, Tier und Pflanze.

Forschungsprofil

 

Die dynamischen Netzwerke pflanzlicher Naturstoffe - Basis flexibler Anpassung und Artenvielfalt

Pflanzen haben sich im Laufe der Evolution als Konsequenz ihrer sessilen Lebensweise zu Spezialisten der flexiblen Anpassung mit hoher Widerstandsfähigkeit entwickelt. Die daraus resultierende Artenvielfalt spiegelt sich in einer enormen chemischen Diversität pflanzlicher Naturstoffe wider. Die artspezifischen Muster dieser Naturstoffe erhalten eine zusätzliche Dimension der Komplexität durch dynamische Veränderungen während der pflanzlichen Entwicklung und Anpassung an fluktuierende Umwelt- und Standortbedingungen. Neben einer Plastizität zielgerichteten Organwachstums reagieren Pflanzen auf Umweltveränderungen und lokale Herausforderungen mit einer flexiblen Umsteuerung ihres zentralen und peripheren Stoffwechsels. Mit Hilfe niedermolekularer Substanzen werden externe Ressourcen maximal erschlossen, Krankheitserreger und Fraßfeinde abgewehrt, oder mit anderen Organismen chemisch effizient kommuniziert. Pflanzliche Anpassungsreaktionen auf veränderte externe Bedingungen werden über die Einbindung multipler und hoch-komplexer informationsverarbeitender molekularer Netzwerke reguliert und auf zellulärer und systemischer Ebene realisiert. Die Kenntnis von Struktur, Synthese, Funktion und Wirkmechanismen biologisch aktiver Stoffwechselprodukte und ‑intermediate ist daher Voraussetzung für ein umfassendes Verständnis pflanzlicher Diversität sowie von wachstums- und entwicklungsfördernden Adaptationsprozessen. Dieser Erkenntnisgewinn ermöglicht neue Wege zu einer nachhaltigen Pflanzenproduktion und für innovative Biotechnologie- und Wirkstoffentwicklungen als Grundlagen einer pflanzenbasierten Bioökonomie.

Interdisziplinäre Schwerpunktforschung am IPB

Der Forschungsauftrag des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie (IPB), welcher im Zuge des globalen Wandels an gesellschaftlicher Relevanz gewinnt, wird in einer einzigartigen Konstellation und Bündelung von chemischen und biologischen Kompetenzen in vier wissenschaftlichen Abteilungen und Nachwuchsgruppen umgesetzt. Diese wissenschaftliche Expertise ermöglicht eine enge thematische und kooperative Verknüpfung von Natur- und Wirkstoffchemie, Biochemie und Pflanzenbiologie, die durch gemeinsam etablierte und genutzte technologische Plattformen und Datenbanken unterstützt wird.

Analyse pilzlicher und pflanzlicher Naturstoffe - Grundlage für die Entwicklung neuer Wirkstoffe und Wegbereiter zur pflanzenbasierten Bioökonomie

So ist die umfassende Analyse pflanzlicher und pilzlicher Naturstoffe ein zentraler Schwerpunkt im Forschungskonzept des Institutes, an den weitere Forschungsschwerpunkte assoziiert sind. Zur umfassenden qualitativen und quantitativen Erfassung von Naturstoffen in biologischen Materialien und zur Aufklärung ihrer Struktur werden in einem abteilungsübergreifenden Kompetenzbereich moderne analytische Verfahren eingesetzt und neu entwickelt. Dies bildet die Grundlage zur Untersuchung der biologischen Funktionen von Naturstoffen und ihrer Biosynthese als auch für die Entdeckung neuer Leitstrukturen. Die Strukturaufklärung, chemische Synthese und Derivatisierung von Naturstoffen liefern einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung ihrer biologischen Aktivität, Erweiterung ihrer strukturellen Diversität und Entwicklung von Wirkstoffen. Die Charakterisierung von Enzymen und regulatorischen Proteinen sowie ihren kodierenden Genen ermöglicht das Studium der zellulären, gewebespezifischen und systemischen Organisation von Biosynthesewegen und deren Kontrollebenen und damit der pflanzlichen Produktions- und Speicherprozesse. Diese Erkenntnisse sind die Grundlage der Entwicklung von Biokatalysatoren, die umweltfreundlichere, nachhaltigere Prozesse aber auch den Zugang zu völlig neuen Produkten erlauben. Im Umfeld schwindender Ressourcen sowohl im Petroleumbereich als auch von natürlichen Quellen sind biotechnologische und dabei vor allem pflanzenbasierte Produktionsprozesse der Schlüssel zu einer wissensbasierten Bioökonomie.

Erforschung molekularer Wechselwirkungen - Mechanismen und Netzwerke chemischer Kommunikation


Die genetisch determinierte pflanzliche Entwicklung und ihre Modulation im Kontext einer Anpassung an Umwelt- und Standortbedingungen beruhen auf der rezeptorvermittelten Perzeption von abiotischen und biotischen Parametern und auf der Generierung stimulus-spezifischer endogener Signale. Der Informationsgehalt chemischer Signalträger wird über zelluläre und systemische Netzwerke interpretiert und mittels veränderter Genexpressionsmuster in die entsprechenden physiologischen Anpassungsreaktionen gezielt umgewandelt, die in der Regel auf transient und lokal veränderten Profilen von spezifischen Stoffwechselprodukten basieren. Für diese Prozesse bilden vielfältige molekulare Interaktionen die Grundlage. Ihre interdisziplinäre Analyse ist deshalb von zentraler Bedeutung für das Forschungskonzept des Institutes.

Die Interaktionen von Proteinen mit niedermolekularen Liganden oder zwischen Makromolekülen sowie kovalente Modifikationen von Proteinen und Nukleinsäuren bilden funktionale Module für diese molekularen Prozesse als auch geeignete Interventionsziele für die angewandte Wirkstoffforschung. Unter diesen Aspekten werden die Mechanismen der chemischen Kommunikation untersucht, insbesondere von Pflanzen mit pilzlichen Symbionten oder Phytopathogenen, sowie die Organisation von Signaltransduktions-, Biosynthese-, Transport- und Abbauwegen. Dabei kommen unter anderem umfassende Transkriptom-, Proteom- und Metabolomanalysen zum Einsatz, die zunehmend gewebe- und zellspezifische Profiländerungen quantifizieren und katalogisieren.

Darüber hinaus erlaubt die Anwendung und Entwicklung moderner zellbiologischer Methoden im Rahmen abteilungsübergreifender technologischer Plattformen und 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, Signalträger, Enzyme) selektiert werden. Die Grundlage dafür bildet die Entwicklung neuer Synthese- und Selektionsprozesse sowie geeigneter Assay- und Analyseverfahren, die durch die Visualisierung molekularer Wechselwirkungen mittels Modeling unterstützt werden.

Identifizierung und funktionelle Charakterisierung unbekannter Gene


Die enge Kombination naturstoffchemischer, biochemischer, molekularbiologischer, genetischer und zell-biologischer Forschungsansätze ermöglicht eine funktionsbasierte Genidentifizierung sowie neue experimentelle Zugänge zur Genfunktionsanalyse, die den dritten Forschungsschwerpunkt des Institutes bildet. Genetische Ansätze in Modell- und Nutzpflanzen, wie z. B. Mutagenese, Analyse der natürlichen Variabilität oder Methoden der chemischen Genetik, beschleunigen die Identifizierung unbekannter Gene und informativer Allele mit essentiellen als auch quantitativ abgestuften Funktionen im pflanzlichen Stoffwechsel. Im Gesamtkonzept folgen Transkriptom-, Proteom- und Metabolom-Analyse zur funktionellen Charakterisierung von Genen, die im Rahmen des Stoffwechsels von Naturprodukten eine entscheidende Rolle für die pflanzliche Entwicklung und Anpassung spielen. Durch die zunehmende Zahl sequenzierter pflanzlicher Genome und Transkriptome gewinnen systembiologische Ansätze für die Analyse metabolischer und regulatorischer Netzwerke an Bedeutung.  

Schwerpunktverknüpfung durch bio- und chemoinformatische Datenverarbeitung


Die Speicherung, Auswertung und Verknüpfung der in den drei Forschungsschwerpunkten - Naturstoffe, molekulare Interaktionen, Genfunktionsanalyse - generierten enormen Datenmengen ist nur mittels einer integrierten Bio- und Chemoinformatik möglich. Insbesondere die Metabolom- und Proteomanalysen erfordern neue Methoden zur Metabolitenidentifikation, der Datenauswertung und –verarbeitung und die Verknüpfung mit den umfangreichen Datensätzen der Sequenz- und Expressions- und Wirkprofilanalysen. Die Informatik ermöglicht die Entschlüsselung von Zusammenhängen als auch die Vorhersage von Eigenschaften aus in ihrer Struktur zum Teil völlig unterschiedlichen Datensätzen und damit ein besseres Verständnis des biologischen Systems Pflanze.

Auf der reduktionistischen Erkenntnisebene bilden detaillierte biochemische Untersuchungen der Genprodukte, Struktur-Funktions-Analysen sowie molekulare Interaktionsstudien die Voraussetzung für ein umfassendes molekulares Verständnis der Gen-, Protein- und Metabolitenfunktionen und somit für eine gezielte Wirkstoffforschung. Der Einsatz von spezifischen Allelen, relevanten Mutanten und transgenen Pflanzen ermöglicht nicht nur die biologische Analyse der Genfunktion, sondern auch die Erzeugung von Modellpflanzen mit verändertem Naturstoffprofil, neuen gesundheitsrelevanten Inhaltsstoffen oder verbesserter Anpassung an bestimmte Standorte und Umweltsituationen. Solche experimentellen Pflanzen sind als biologische Testsysteme für die Züchtung ressourcenschonender Nutzpflanzen unverzichtbar und für die nachhaltige Produktion wertvoller Naturstoffe und Biokatalysatoren von hoher Anwendungsrelevanz.

Diese Seite wurde zuletzt am 19.11.2013 geändert.

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