Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nano-Maschinen lassen Zuckersaft fließen

14.10.2010
Als Produzenten von Zucker und Kohlenhydraten spielen Pflanzen eine wichtige Rolle.

Auf diesem Gebiet forschen Wissenschaftler der Uni Würzburg – mit dem Fernziel, den Zuckerhaushalt landwirtschaftlicher Nutzpflanzen zu beeinflussen.


Blatt der Pflanze Arabidopsis thaliana, in dem die Saccharose-Transporter zu sehen sind. Markiert wurden sie mit einem fluoreszierenden Protein. Die Transporter sitzen entlang der Leitbahnen, der so genannten Siebröhren, durch die zuckerhaltiger Saft fließt.
Bild: Dietmar Geiger

Der Zucker, den die Menschheit verbraucht, wird vorwiegend aus Zuckerrohr und Zuckerrüben gewonnen. Pflanzen produzieren den süßen und energiereichen Stoff bei ihrer Photosynthese in den Blättern. Von dort transportieren sie ihn in Form von Saccharose über die Leitbahnen hin zu den Geweben, die keine Photosynthese betreiben – und die darum auf den Import von Zucker angewiesen sind, wie etwa Wurzel und Früchte.

Wichtig für die Verteilung des Zuckers in der Pflanze ist ein zentrales Molekül, der so genannte Saccharose-Transporter. Er sitzt in den Zellmembranen der Leitbahnen und verbringt wahre Höchstleistungen. Dietmar Geiger von der Universität Würzburg hat sie gemessen und bezeichnet den Transporter nun als „nahezu reibungslos funktionierende Nano-Maschine“.

Starke Transportleistung gegen hohen Widerstand

Ein einziger Transporter pumpt pro Sekunde bis zu 500 Saccharose-Moleküle durch die Zellmembran in die Leitbahnen. Dabei überwindet er einen großen Widerstand: Auch wenn die Leitbahnen schon prall mit Zucker gefüllt sind, kann er trotzdem noch mehr hineinschaffen – bis zu einer Konzentration nahe der Löslichkeitsgrenze der Saccharose. Vergleichbar ist diese Leistung mit der Anstrengung beim Aufpumpen eines Reifens: Je mehr Luft der Reifen enthält, umso schwerer geht das Pumpen.

Die starke Anhäufung von Zucker in den Leitbahnen lässt dort den Druck steigen. Gleichzeitig aber wird aus dem Leitungssystem auch Druck abgelassen: in den Geweben, die mit Zucker versorgt werden. Folge: Der Druckunterschied lässt den zuckerhaltigen Saft in der Pflanze dorthin fließen, wo Zucker verbraucht wird. „Wie beim Menschen das Herz für die Zirkulation des Blutes verantwortlich ist, so sorgen die Saccharose-Transporter bei der Pflanze dafür, dass der Zuckersaft fließt“, sagt Geiger.

Ergebnisse im Magazin PLoS one veröffentlicht

Die Funktion der Saccharose-Transporter aus Maispflanzen beschreibt der Würzburger Pflanzenphysiologe und Biophysiker Geiger detailliert im Fachblatt PLoS one. An der Publikation haben seine Würzburger Kollegen Rainer Hedrich und Hermann Koepsell mitgewirkt; außerdem waren Wissenschaftler aus Frankfurt am Main und Genua beteiligt.

Gewonnen wurden die Erkenntnisse mit Hilfe von Eiern des südafrikanischen Krallenfroschs: Die Forscher benutzen sie als lebende Reagenzgläser. Sie bringen das Gen für den Saccharose-Transporter in die Eier ein, wo daraus aktive Transporter produziert und in die Hüllmembran eingebaut werden. „So wird das Transportprotein für biophysikalische Messungen zugänglich“, erklärt Geiger. Unter anderem haben die Wissenschaftler auf diese Weise erstmals demonstriert, dass ein Transportprotein unter physiologischen Bedingungen sowohl für die Beladung als auch für die Entladung der Leitbahnen zuständig sein kann.

Molekulares Innenleben des Transporters wird weiter erforscht

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Arbeit von Dietmar Geiger, damit er das Wissen über das molekulare Innenleben der Zuckertransportmaschinen weiter vermehren kann. Geiger widmet sich derzeit den strukturellen und funktionellen Voraussetzungen, die es dem Transporter erlauben, Saccharose-Moleküle treffsicher und mit höchster Effizienz durch Membranen zu transportieren.

Geiger und seine Kollegen wollen das Räderwerk des Transporters mit neuen biophysikalischen Methoden in seine Einzelteile zerlegen. Unter anderem planen sie, ein fluoreszierendes Molekül an eine Stelle des Transporters zu hängen, die sich während des Transportvorgangs bewegt. Über die Beobachtung der Fluoreszenz können sie dann „live“ dem Transporter bei der Arbeit zuschauen.

Fernziel: Landwirtschaftliche Nutzpflanzen optimieren

„Fernziel unserer Arbeit ist es, die Verteilung und die Speicherung wichtiger Zuckerverbindungen in landwirtschaftlich genutzten Pflanzen zu optimieren“, sagt Dietmar Geiger. Der Pilzbefall von Nutzpflanzen beispielsweise führe Jahr für Jahr zu erheblichen Ernteausfällen. Auch Pilze besitzen Saccharose-Transporter, mit denen sie Zucker aufnehmen – und die noch effizienter arbeiten als die der Pflanzen. Damit untergraben sie die Versorgung der Pflanze mit energiereichen Zuckerverbindungen. „Eine Aufrüstung der Pflanzen mit ähnlich effizienten Saccharose-Transportern könnte den Kampf um die Zuckerressourcen zu Gunsten der Pflanze entscheiden und Ernteausfälle verringern“, so Geiger.

Nach der Erforschung des Funktionsprinzips von Saccharose-Transportern stellt sich den Wissenschaftlern die Frage, ob die genaue Einstellung des Zuckergehalts in den Leitbahnen der Pflanze nur vom Import und Export abhängt. Oder wird der Zuckerspiegel in Pflanzen sensorisch reguliert, ähnlich wie beim Insulinsystem beim Menschen? Durch das Eingreifen in ein solches Zuckersensoriksystem könnte die Biomasseproduktion landwirtschaftlich genutzter Pflanzen gesteuert und gesteigert werden.

„Sucrose- and H+-Dependent Charge Movements Associated with the Gating of Sucrose Transporter ZmSUT1”, Armando Carpaneto, Hermann Koepsell, Ernst Bamberg, Rainer Hedrich, Dietmar Geiger, PloS one, September 2010, Vol. 5, Issue 9: e12605. DOI: 10.1371/journal.pone.0012605

Der Forscher

Dr. Dietmar Geiger hat am Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Uni Würzburg promoviert. Danach war er Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Biophysik im Labor von Professor Ernst Bamberg in Frankfurt. Als Assistent am Lehrstuhl von Professor Rainer Hedrich setzt er molekulare und biophysikalische Methoden ein, um Strukturen von Ionen-Kanälen und Metabolit-Carriern zu verstehen, die die besondere Funktion von Membranproteinen ausmachen.

Kontakt

Dr. Dietmar Geiger, Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik der Universität Würzburg, T (0931) 31-86105, geiger@botanik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Selbstfaltendes Origami
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der Krümmung einen Schritt voraus

27.06.2017 | Informationstechnologie

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Überschwemmungen genau in den Blick nehmen

27.06.2017 | Informationstechnologie