Zellspezifische Biosynthese des Piperins in Früchten und Wurzeln des schwarzen Pfeffers (Piper nigrum L.)

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thomas Vogt
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532693979

Piperin ist das wichtigste Alkaloid des schwarzen Pfeffers (Piper nigrum) und für seine Schärfe verantwortlich. In diesem Antrag wollen wir noch unbekannte, enzymatische Schritte der Piperinbiosynthese aufklären und auf zellulärer Ebene verstehen. Zu den noch offenen enzymatischen Schritten zählen die Verlängerung der Alkylkette der Phenylpropanvorstufe und die Piperidinbiosynthese. Das Projekt basiert auf differenziellen Transkriptomdaten verschiedener Organe des Pfeffers, die bereits in Vorarbeiten erstellt wurden. Aus diesen Daten wurden mittels Sequenzvergleichen und Expressionsmustern bereits Kandidatengene identifiziert, die für die entsprechenden enzymatischen Schritte in Frage kommen. Eine temporäre Expression des kompletten Biosyntheseweges in Nicotiana benthamiana mit Hilfe der modularen Golden Gate-Klonierung soll die ermittelten Biosyntheseschritte dann verifizieren. Diese Strategie erlaubt es uns, potentiell biologisch oder pharmakologisch aktive Piperamide zu produzieren. Um die Biosynthese des Piperins auf zellulärer Ebene zu verstehen, sollen Einzelzellanalysen durchgeführt werden und die Zellen der Früchte des schwarzen Pfeffers dabei auf der Ebene der Metabolite, der Proteine, sowie der Transkripte untersucht werden. Dies ist möglich, da Piperin-akkumulierende Zellen der Früchte und Wurzeln im Gegensatz zu den Nachbarzellen eine deutlich blaue, auf Piperin-basierende Fluoreszenz aufweisen und mit Hilfe eines Lasers gezielt aus dem Zellverband isoliert werden können (laser capture microdissection, LCM). Damit kann einerseits ein Profil der Metaboliten dieser Zellen erhalten werden, andererseits aber auch die Anzahl möglicher Kandidaten, die an der Biosynthese des Piperins beteiligt sind, eingeschränkt werden. Diese Daten sollen dann mit Transkriptionsanalysen erweitert werden, um einen vollständigen molekularen Fingerabdruck dieser Zellen zu erhalten. Um die Transkriptome einzelner Zellen zu ermitteln, werden wir einerseits auf die LCM-Technologie zurückgreifen aber auch Protoplasten aus Früchten isolieren, die dann mit Hilfe einer Kombination von Fluoreszenz-aktivierter Zellsortierung (FACS) und echten Einzelzell-Transkriptomen ein komplettes, molekulares Profil dieser Zellen liefern sollen. Die Untersuchungen auf der Ebene einzelner Zellen wird möglicherweise auch helfen zu verstehen, wie die Zellen es schaffen, nahezu wasserunlösliche Substanzen, wie das Piperin in molaren Konzentrationen zu synthetisieren und zu lagern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen