Forschung in der Arbeitsgruppe Biochemie

Der Spezialmetabolismus (Sekundärmetabolismus) übernimmt insbesondere die Funktion Metabolite zur inter- und intraorganismischen Interaktion und Kommunikation bereitzustellen, z.B. geben Blüten Duftstoffe ab, um Bestäuber gezielt anzulocken, oder Pilze und Bakterien synthetisieren Antibiotika mit denen Konkurrenten im gleichen Habitat in Schach gehalten werden können. In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir einerseits die Biosynthese und Emission von kleinen flüchtigen Metaboliten (volatile organic compounds, VOCs) in mikrobiellen Produzenten und andererseits werden die Reaktionen und Auswirkungen in den Empfänger-Organismen studiert. Ziel ist es den VOC-basierten Dialog zwischen Mikroorganismen und Pflanzen als auch der Austausch von Informationen in mikrobiellen Gemeinschaften zu entschlüsseln. Die emittierten flüchtigen Metabolite (Volatilome) werden z.B. mittels GCMS charakterisiert. Insbesondere bei bisher unbekannten Naturstoffen werden die beteiligten neuen Biosynthese-Gene/Gencluster und -Enzyme isoliert, biochemisch aufgeklärt und deren Kontrolle durch Regulationsnetzwerke untersucht.

Mikrobielle VOCs wurden bisher übersehen, obwohl Mikroorganismen ubiquitär vorkommen und vielfältige metabolische Aktivitäten aufweisen, die bei Interaktionen von Organismen im Ökosystem Beachtung finden müssen. Neben den biologischen Funktionen bieten die mVOCs die Möglichkeit als nachhaltige und ökologische Alternativen für Pestizide oder Dünger in der Landwirtschaft und Umwelt zu fungieren. Ebenso ist ihr Einsatz als diagnostisches Werkzeug in der Medizin, Tiermedizin und Landwirtschaft denkbar. mVOCs werden bereits bei biotechnologischen Verfahren, z.B. bei der Herstellung von Lebensmitteln, und bei der Detektion von Pilzbefall in Räumen und von Gegenständen genutzt. Die Weiterentwicklung dieser Techniken bezüglich gesteigerter Sensitivität und universeller Anwendbarkeit kann unser Leben sicherer machen.


bisherige Projekte

Deciphering the novel gene cluster and sodorifen biosynthesis of Serratia plymuthia 4 Rx13
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla

A novel biosynthetic pathway for the unique volatile 'sodorifen' of Serratia odorifera 4Rx13  
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Birgit Piechulla  

Rhizobacterial volatiles: structure elucidation and impact on gene expression in Arabidopsis thaliana 
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla
Kooperation: Prof. Dr. Wittko Francke (Universität Hamburg)
Die bakterielle Produktion von Duftstoffen ist seit langem bekannt. Diese Fähigkeit der Bakterien führt zu den speziellen Aromen von Lebensmitteln (Käse, Milchprodukte oder Sauerkraut). Der typisch erdige Geruch beruht z.B. auf der Abgabe von Geosmin durch Streptomyces-Species. Doch das Duft-Potenzial von Bakterien geht weit über das hinaus, was unsere Nase wahrnehmen kann und die Kapazität der Duftstoffbildung von Bakterien ist im Allgemeinen unbekannt. Neue Befunde zeigen, dass auch an Pflanzenwurzeln vergesellschaftet lebende Bakterien (Rhizobakterien) eine Vielzahl flüchtiger Verbindungen ausscheiden. Diese Verbindungen, die größtenteils strukturell noch nicht aufgeklärt sind, wirken wie ‚Flüchtige Antibiotika’ und sind daher sowohl für den medizinischen Einsatz als auch für die landwirtschaftliche Produktion nützlich.

Biochemie und Regulation der tageszeitspezifischen Duftstoffsynthese und -emission bei Pflanzen
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla
Pflanzen produzieren viele Sekundärmetabolite, die die Fitness und Reproduktion der Pflanzen verbessern. Unter anderem werden auch flüchtige Metabolite (VOCs, volatile organic compounds) für diese Zwecke eingesetzt, sie sorgen für eine sehr spezifische inter-und intraspezifische Kommunikation zwischen Organismen eines Lebensraumes.
Die VOCs spielen vor allem beim Anlocken der spezifischen Bestäuber eine entscheidende Rolle. Die Synthese dieser flüchtigen Sekundärmetabolite ist energetisch kostspielig für die Pflanzen und wird deshalb von einigen Pflanzen nur zu bestimmten Tages- oder Nachtzeiten betrieben. Die molekularen Mechanismen, die dieser präzisen zeitlichen Emittierung von flüchtigen Substanzen zugrunde liegen, gilt es zu ermitteln.  

Molekulare und zellbiologische Untersuchungen zu Wirkungsmechanismen von etablierten und potenziellen Phytoestrogenen als Voraussetzung für die Entwicklung von Strategien der Krebs-Prävention und -Therapie
Projektförderung: Mildred Scheel Deutsche Krebshilfe
Antragsteller (alphabetisch): PD. Dr. S. Abarzua Institut für Biowissenschaften, Prof. Dr. V. Briese Südstadtklinikum/Frauenklinik, Prof. Dr. K. Kraft Lehrstuhl für Naturheilkunde, Prof. Dr. U. Kragl Institut für Chemie, PD Dr. B. Nebe Universitätsklinikum/Klinik für Innere Medizin, Prof. Dr. Birgit Piechulla Institut für Biowissenschaften, Dr. DU Richter Südstadtklinikum/Frauenklinik, Dr. W. Ruth Institut für Chemie
Die Inzidenz des Mammakarzinoms ist weiter ansteigend, ca. 55.100 Neuerkrankungen pro Jahr werden in Deutschland registriert. Epidemiologische Studien lassen vermuten, dass eine an Phytoestrogenen reiche Ernährung mit einem reduzierten Risiko für Brustkrebs assoziiert sein könnte. Da ein eindeutiger Zusammenhang bisher jedoch nicht belegt werden konnte, besteht umsomehr erheblicher Forschungsbedarf mit phytoestrogenhaltigen Extrakten. Ziel ist es, aus einheimischen Pflanzen phytoestrogenhaltige Extrakte herzustellen, die gezielt an Tumorzellen hormonabhängiger gynäkologischer Tumoren binden und das maligne Potenzial verringern. Ziel ist die komplexe Aufklärung der Wirkungsweise der enthaltenen Phytoestrogene, speziell Lignane aber auch Isoflavone, auf zellulärer und molekularer Ebene als Voraussetzung für weitere tierexperimentelle und klinische Studien.

MICON-Förderprogramm
Projektleitung: Prof. Dr. B. Piechulla, PD Dr. S. Abarzua, Prof. U. Kragl, Dr. W. Ruth, Prof. Dr. med. V. Briese,Dr. C. Bergemann, D.-U. Richter, Dr. B. Nebe, A.
PetersIsolierung und Testung von Phytoestrogenen aus heimischen Pflanzen zur Prävention und Behandlung von Tumoren

Structure and function relationship of floral scent carboxyl methyltransferases
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla  

Identification of molecular virus-plant interactions in Physcomitrella patens following Tomato spotted wilt virus infection  
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: PD Dr. Jan W. Kellmann     

Modulation von autoreaktiven T-Zellen durch astrozyten: Identifizierung eines astrozytären löslichen Faktors   
Projektförderung: Hochschulwissenschaftsprogramm (HWP)
Projektleitung: PD Dr. Sibylle Abarzua    

Isolierung und Testung von Phytoestrogenen  
Projektförderung: Hochschulwissenschaftsprogramm (HWP)
Projektleitung: PD Dr. Sibylle Abarzua     

Nymphaeaceen – Evolution und Phylogenie – Von der Kreide bis zur Gegenwart    
Projektförderung: Hochschulwissenschaftsprogramm (HWP)
Projektleitung: Prof. Birgit Piechulla und Prof. Stefan Porembski    

Isolierung und Erprobung von biogenen Wirkstoffen zur Verhinderung von Biofouling   
Projektförderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) und Max-Buchner-Stiftung
Projektleitung: PD Dr. Sibylle Abarzua    

Funktionelle und adaptive Mechanismen circadianer Systeme Molekulare Regulationskomponenten der circadianen Uhr in höheren Pflanzen  
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla   

Mechanismen der Virusausbreitung am Beispiel des Tomato spotted wilt virus (TSWV)   
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: PD Dr. Jan W. Kellmann    

Koordination und Kontrolle der Expression der Mitglieder der Lhc-Genfamilie von Tomate  
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla      

Isolierung und Charakterisierung von cis- und trans-regulierenden Elementen, die bei der Expression der cab-Genfamilie in Tomate beteiligt sind
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla    

Expression und Regulation von Plastiden- und Kerngenen während der Fruchtentwicklung und -reifung in Tomaten 
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla     

Genexpression in höheren Pflanzen: Charakterisierung diurnaler und circadianer mRNA Fluktuationen von Kern und Plastidengenen   
Projektförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Prof. Dr. Birgit Piechulla