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    Lehrstuhl für Botanik I - Pflanzenphysiologie und Biophysik

    Die Struktur und Funktion von Zucker-transportierenden Nanomachinen

    Das Phloemleitgewebe ist für Pflanzen so essentiell wie es das Blutgefäßsystem für Menschen ist. Dieses Leitgewebe transportiert Nährstoffe und Informationen über lange Strecken. Zur Umverteilung von Energiereichen Kohlenhydraten aus der Photosynthese im pflanzlichen Körper verwenden höhere Pflanzen zumeist Saccharose als Transportform. Dabei spielen Protonen-gekoppelte Saccharosetransporter beim Zell zu Zell und beim Langstreckentransport des Disaccharides eine essentielle Rolle. Das negative Membranpotential pfl. Zellen und die Fähigkeit von Saccharosetransportern ihr Substrat bis zu 1,5 M auf zu konzentrieren legt die Vermutung nahe, dass Pflanzen Transportproteine entwickelten, die eine einzigartige Struktur und Funktion besitzen. Die Konzentration im Phloem ist 1000-fach höher als im umgebenden extrazellulären Raum. Diese Tatsache legt nahe, dass der Transport von Zucker sehr eng an den Transport von Protonen gekoppelt ist und dass sich diese Saccharosetransporter wie perfekte thermodynamische Nanomaschinen verhalten.

    In den letzten Jahren konnten wir das Wissen um den Transportmechanismus und die strukturelle Basis von pfl. Zuckertransportern am Beispiel des Saccharosetransporters ZmSUT1 aus dem Mais vertiefen. Die Expression des Transporters im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten und die Verwendung von ausgeklügelten biophysikalischen Techniken ließen uns einzelne Schritte des Transportmechanismus aufschlüsseln und quantifizieren. Zudem konnten wir durch die Verwendung Fluoreszenz-basierten Methoden in Kombination mit elektrophysiologischen Techniken einen Einblick in die Transport-assoziierte Konformationsänderung während des Transportzyklus von ZmSUT1 gewinnen. Mit anderen Worten wir können die Bewegung des Transporters „live“ verfolgen und manipulieren.

    Derzeit verbinden wir Zielgerichtete Mutagenese mit funktionellen Studien in Oozyten, um strukturelle Merkmale, wie z.B. die Substrat- oder Protonenbindestelle, von pfl. Zuckertransportern herauszuarbeiten. Dabei dient ein 3D-Strukturmodell von ZmSUT1, das auf die Kristallstruktur der E.coli Lactosepermease gemodelt wurde, als Basis für die Identifikation von Aminosäureresten, die am Reaktionszyklus dieser Zucker-transportierenden Nanomachinen.

    Modell des Reaktionszyklus von ZmSUT1
    Abb. 1 Detailierte biophysikalische Analysen lassen auf einen Reaktionszyklus von pfl. Zuckertransportern schließen, der über sechs Zustände verläuft. (Grafik: D. Geiger, Universität Würzburg 2017)
    3D-Strukturmodell von ZmSUT1
    Abb. 2 Gesamtstrukturmodell von ZmSUT1 basierend auf der Röntgenstruktur von LacY aus E.coli. (Grafik: D. Geiger, Universität Würzburg 2017)
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    Universität Würzburg
    Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik - Botanik I
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    97082 Würzburg

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