Strukturelle Glycomische Analyse der Pflanzenzellwand

Kohlenhydrate, auch Glykane genannt, sind die am häufigsten vorkommenden Biopolymere auf der Erde. Sie sind essenziell für alle bekannten Lebewesen, aber ihre Wichtigkeit ist vielleicht bei Pflanzen am augenfälligsten. Diese nutzen Glykane als ihr Hauptbaumaterial und umhüllen ihre Zellen mit einer komplexen Glykanwand, die für ihr Wachstum, ihre Abwehr und ihre interzelluläre Kommunikation von zentraler Bedeutung ist. Die Pflanzenzellwand ist jedoch auch außerordentlich komplex, und die Struktur ihrer vielen Glykanbestandteile auf molekularer Ebene ist in vielen Fällen noch immer unbekannt. Dies verhindert den wissenschaftlichen Fortschritt in vielen Bereichen der Pflanzenbiologie, vom Verständnis der Entstehung der Zellwand bis zur Aufdeckung der molekularen Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Struktur der Glykane in der Pflanzenzellwand zu entschlüsseln und so Einblicke in die molekulare Vielfalt zu gewinnen, die den verschiedenen biologischen Funktionen der Zellwand zugrunde liegt. Zellwandglykane bestehen aus Zuckereinheiten, die über kovalente Bindungen miteinander verbunden sind und große Polysaccharidstrukturen mit komplexer Topologie und aufwendigen Verzweigungsmustern bilden. Da es praktisch unmöglich ist, diese großen Polysaccharide in ihrer Gesamtheit zu untersuchen, werden sie enzymatisch in kleinere Fragmente zerlegt, die in der Folge strukturell analysiert werden können. Anhand der aus der Analyse der kleineren Fragmente gewonnenen Informationen lassen sich dann die ursprünglichen Glykanstrukturen wieder zusammensetzen. Um dies zu realisieren, werden wir zunächst eine Bibliothek mit definierten pflanzlichen Glykanstrukturen aufbauen, die durch chemische Synthese zusammengesetzt wurden, und jede Struktur mit Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie (IM-MS) detailliert charakterisieren. Diese Technik liefert Informationen über Masse, Größe und Form der Glykane und ermöglicht so die Bestimmung ihrer Zusammensetzung, Konnektivität und Verzweigung. Basierend auf dieser Bibliothek werden wir unsere Studie auf Glykane in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ausweiten und neue Daten mit Strukturen in der Bibliothek abgleichen. Wenn wir auf neue Glykanarten stoßen, die nicht in der Bibliothek enthalten sind, wird ihre Struktur mithilfe eines IM-MS-basierten Analyse-Workflows entschlüsselt. Diese Methode wird dann zur Untersuchung von Arabidopsis thaliana- Mutanten mit Zellwanddefekten angewendet, um die Rolle bestimmter Gene bei der Bildung definierter Strukturmotive in der Pflanzenzellwand aufzudecken. Durch die Gewinnung molekularer Einblicke in die wichtigsten strukturellen Bausteine der Zellwand wird unser Projekt grundlegende Erkenntnisse liefern, die unser Verständnis der Zellwandbildung und der Struktur-Funktions-Beziehungen, die ihre vielfältigen Aufgaben in Pflanzen von der Entwicklung bis zur Immunität bestimmen, voranbringen werden.