Deoxynivalenol-Detoxifizierung durch Glutathiontransferasen

Pilze der Gattung Fusarium stellen ein erhebliches Problem in der weltweiten Getreideproduktion dar, da sie Ernteverluste und Belastung mit Mykotoxinen verursachen. In Europa wird vorwiegend Deoxynivalenol (DON) von der weit verbreiteten Art Fusarium graminearum gebildet. Dieses Toxin dient der Ausbreitung des Pilzes auf der Wirtspflanze, ist aber nach Aufnahme von Getreideprodukten auch für Menschen und Tiere toxikologisch höchst problematisch. Da DON chemisch sehr stabil ist und auch durch Erhitzen nicht zerstört wird, sind Strategien zu dessen Entgiftung von hohem Interesse. Im bereits abgeschlossenen FWF Projekt SFB Fusarium lag ein wesentlicher Fokus unserer Arbeitsgruppe auf der Isolierung vorwiegend pflanzlicher Enzyme mit der Fähigkeit zur DON-Entgiftung. Während die meisten der bisher charakterisierten Enzyme umkehrbare Reaktionen katalysieren, konnten wir Glutathiontransferasen identifizieren, die DON irreversibel entgiften. Dabei wird dessen Epoxidgruppe, die auch hauptverantwortlich für die Toxizität ist, durch Bindung an Glutathion permanent eliminiert. Während die bisher untersuchten pflanzlichen Glutathiontransferasen diese Epoxid-Öffnung relativ langsam katalysieren, konnten wir vor kurzem auch einige hocheffiziente Pilz-Glutathiontransferasen identifizieren. Das Ziel dieses Projekts ist, die Reaktionsmechanismen solcher Glutathiontransferasen aufzuklären. Dafür wird die Röntgenstrukturanalyse eingesetzt. Die betreffenden Enzyme werden rekombinant im Wirtsorganismus Escherichia coli produziert, mittels Affinitätschromatographie gereinigt und anschließend gemeinsam mit DON oder dem entgifteten Reaktionsprodukt (DON-Glutathion) kristallisiert. Die Struktur dieser Komplexe wird durch Röntgenbeugung ermittelt. Dies soll darüber Ausschluss geben, wie DON während der Katalyse im aktiven Zentrum positioniert ist und welche Aminosäuren an der Reaktion beteiligt sind. Die katalytische Funktion spezifischer Aminosäuren wird überprüft, indem diese durch gezielte Mutagenese ausgetauscht werden und die Funktionalität der modifizierten Enzyme erneut getestet wird. Die vom FWF durch das Schrödinger Programm finanzierten Arbeiten werden in einem Zeitraum von zwei Jahren an der Universität Turku, Finnland durchgeführt. In der einjährigen Rückkehrphase an der BOKU werden die Enzyme bzw. Mutanten dann enzymkinetisch genauer charakterisiert. Die geplanten Arbeiten sollen die Grundlage für das Verständnis der biokatalytischen Entgiftung von DON und chemisch eng verwandter Toxine (Trichothecene) wesentlich erweitern. Die biochemische Charakterisierung der involvierten Glutathiontransferasen sollte auch zu neuen Einsichten bezüglich deren Rollen in Pflanzen und Pilzen führen und könnte Hinweise zur Verbesserung der Fusarium Resistenz von Nutzpflanzen durch gezielte Züchtung bzw. Genom Editierung liefern.