Anwendung von PTR-TOF zur Aufklärung der Biosyntheseschritte bei Isoprenoid Bildung

Derzeit werden große Fortschritte beim Verständnis der biologischen und öko-physiologischen Funktionsweise von pflanzlichen Spurenstoffen (BVOC; biogenic-volatile organic compounds) erzielt. Dieser rasante Fortschritt wird einerseits durch Verbesserungen bei biochemischen und molekularen Messmethoden erreicht und andererseits durch die Entwicklung innovativer Instrumente zur Analyse pflanzlicher VOC erzielt. Die Beiträge von PTR-MS (Protonen Tausch Reaktions Massenspektrometrie) und die Weiterentwicklung dieser Technologie zum PTR-TOF (TOF; Time of Flight) mit verbesserter Auflösung liefert entscheidende Beiträge bei der Aufklärung der Biosphären - Atmosphäre Wechselwirkung von BVOC. Der Beitrag der Universität Innsbruck im Verbundprojekt MOMEVIP stützt sich auf die ausgewiesene Expertise bei der ultraschnellen und hochempfindlichen Messung von flüchtigen Isprenoid-Verbindungen mit PTR-MS und der neuesten Weiterentwicklung dem PTR-TOF. Im Verbundprojekt MOMEVIP werden in gemeinsamen Pflanzenkammer - Experimenten die Emissionen von Isoprenoid Verbindungen, und Semivolatilen VOC und deren Oxidationsprodukten im Detail untersucht. Das erst kürzlich entwickelte PTR-TOF Gerät wird erstmals quantitative und exakte Masseninformationen nahezu aller BVOC in Echtzeit aufzeichnen. Die hohe Massenauflösung des PTR-TOF ermöglicht eine exakte Massenbestimmung, die dazu verwendet wird, beispielsweise reine Kohlenwasserstoff Verbindungen von isobaren z.B. sauerstoffhältigen VOC zu unterscheiden. Nichtsdestotrotz kann PTR-TOF zwischen Struktur - Isomeren z.B. Monoterpene nicht voneinander unterscheiden. Deshalb werden wir an der Universität Innsbruck ein PTR-TOF mit einem GC-FID kombinieren um ein GC-PTR- TOF Gerät erstmals aufbauen und im gemeinsamen Verbundprojekt einsetzen. Der wissenschaftliche Fokus im Verbundprojekt liegt in der Erforschung der Isoprenoid induzierten Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber Hitze Einwirkung und oxidativer Stressbelastung. Dabei ist eine schnelle und möglichst eindeutige Bestimmung der Isoprenoidverbindungen und deren Oxidationsprodukte von entscheidender Bedeutung. Die PTR-TOF Technologie sollte in der Lage sein die einzelnen Biosyntheseschritte bei der Isoprenoid Bildung durch die Verwendung von 13C markierten Substanzen nachzuweisen.

Eine unglaublich große Menge von "VOC" wird ständig in die Atmosphäre unseres Planeten emittiert. Flüchtige organische Verbindungen (VOC volatile organic compounds) sind kohlenstoffhaltige Verbindungen, die leicht verdampfen. VOC werden durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Waldbrände und durch die Verwendung von Lösungsmittel freigesetzt. Terrestrische Vegetation wird als Hauptemissionsquelle von VOC betrachtet. Oxidation von VOC in Gegenwart von Stickoxiden und Sonnenlicht erzeugt bodennahes oder "schlechtes" Ozon. Das Einatmen von stark ozonhaltiger Luft kann eine Vielzahl von gesundheitlichen Problemen für den Menschen auslösen. Ozon kann sich auch schädliche auf empfindliche Pflanzen auswirken, wenn ausreichend hohe Ozonmengen durch die Spaltöffnungen (Stomata) der Blätter in die Pflanzen gelangen. Es war die Strategie des Verbundprojektes MOMEVIP unterschiedliches Know-how auf molekularer und Stoffwechsel-Ebene zu bündeln, um den Einfluss der VOC als Schutz der Pflanzen vor abiotischen Stressfaktoren wie Hitze, Trockenheit und Ozonbelastung zu verstehen. Der österreichische Projektbeitrag bestand in erster Linie bei der Bereitstellung von Geräten und Know-how für die ultra-sensitive, schnelle und quantitative Messung von VOC-Emissionen. Eine quantitative Erfassung von VOC in Echtzeit, d.h. sofortiger Nachweis, ist durch das in Innsbruck entwickelte PTR-TOF-MS Verfahren möglich. PTR-TOF-MS steht für Protonen-Transfer-Reaktion Flugzeit Massen Spektrometrie, und ist eine sanfte möglichst Fragment freie Ionisationsmethode. Für dieses Verbundprojekt wurde diese Methode weiter verbessert, um auch die isomere Struktur von VOC, die von gestressten Pflanzen emittiert werden, zu bestimmen. Ein wichtiges Ergebnis unseres Teilprojektes zeigt, dass cis-abienol, eine wenig-flüchtige organische Verbindung, die durch die Blatthaare (Trichome) verschiedener Tabaksorten abgesondert wird, die Blätter vom "einatmen" des schädlichen Ozons schützt. Ozon wird effizient durch chemische Reaktionen mit cis-abienol an der Pflanzenoberfläche abgebaut, dabei entstehen die flüchtigen Carbonyl-Verbindungen Formaldehyd und Methylvinylketon, die in Luft freigesetzt werden und somit die Atmosphärenchemie beeinflussen.