Biosynthese der Piperamide im schwarzen Pfeffer (Piper nigrum)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit Hilfe einer vergleichenden Transkriptomanalyse verschiedener Organe des schwarzen Pfeffers (Piper nigrum) und der Synthese entsprechender Substrate und Vorstufen konnten in P. nigrum drei wesentliche Schritte der Piperinbiosynthese sowie deren Reihenfolge geklärt werden. Ausgehend von der Feruperinsäure, einer um eine C2-Einheit verlängerten Ferulasäureeinheit, wird zuerst eine charakteristische Methylendioxygruppe in die Phenylpropaneinheit des Piperins eingeführt. Die Piperinsäuresynthase (CYP719A37), eine Cytochrom P450-abhängige Monooxygenase, ist absolut spezifisch für Feruperinsäure als Substrat. Das Enzym akzeptiert weder Ferulasäure noch andere Phenylpropane, die eine vergleichbare aromatische Vanilloid- Struktur besitzen. Parallel wurde eine entsprechende P. nigrum Reduktase identifiziert und funktionell exprimiert, die im Gegensatz zu CYP719A37 nicht organ- und entwicklunsgsspezifisch exprimiert ist. Das Produkt dieser Reaktion, Piperinsäure wird nachfolgend durch eine spezifische Piperinsäure CoA-ligase aktiviert. Eine Piperinsynthase aus der Klasse der BAHD-Acyltransferasen katalysiert dann mit Piperidin als zweitem Substrat die entscheidende Amidbindung zum Piperin. Neben der eigentlichen Piperinsynthase existiert in reifenden Früchten noch eine Piperamidsynthase, die allerdings eine deutlich geringere Substratspezifität als die Piperinsynthase zeigt. Das rekombinante Enzym setzt aliphatische und aromatische CoA-Ester mit unterschiedlichen Aminen effektiv zu diversen Amiden um. Anstelle von Piperin werden zudem in vitro bevorzugt Piperinisomere gebildet, Komponenten, die in reifenden Pfefferfrüchten unbekannt sind. Möglicherweise begünstigt das zelluläre Milieu die ausschließliche Bildung eines Isomers. Zur Identifizierung der Struktur und Ermittlung der für die Substratspezifität wichtigen Aminosäuren sind bereits erste Kristallisationsversuche erfolgt. Kristallstrukturen wären für die mögliche Produktion unterschiedlicher Piperamide im Bereich der Biotechnology oder Pharmakologie von entscheidender Bedeutung. Immunologische Untersuchungen mit Fluoreszenz-markierten Antikörpern legen nahe, dass die beschriebenen enzymatischen Reaktionen, sowie der gesamte Biosyntheseweg in spezialisierten Zellen im Perisperm reifender Früchte stattfinden. Diese Beobachtung deckt sich mit MS-Imaging Daten und fluoreszenzmikrokopischen Aufnahmen zur Lokalisation des Piperin-Moleküls.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2020) A piperic acid CoA ligase produces a putative precursor of piperine, the pungent principle from black pepper fruits. The Plant Journal 102, 569-581
Schnabel A, Cotinguiba F, Athmer B, Yang C, Westermann B, Schaks A, Porzel A, Brandt W, Schumacher F and Vogt T
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(2021) Identification and characterization of piperine synthase from black pepper, Piper nigrum L. Commun. Biol 4, 445
Schnabel, A., Athmer, B., Manke, K., Schumacher, F., Cotinguiba, F., Vogt T
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(2021) Piper nigrum CYP719A37 catalyzes the decisive methylenedioxy bridge formation in piperine biosynthesis. Plants 10, 128
Schnabel A, Cotinguiba F, Athmer B and Vogt T
