Scanning und Sonden für perfekte Moleküle
Mit modernsten bildgebenden und molekularbiologischen Verfahren werden Mechanismen lebender Systeme mittels Kernspinresonanz (NMR) bis auf die Ebene des Einzelelektrons erforscht. Das Projekt WNMRC (Research Infrastructure Wageningen NMR Centre: NMR in agriculture, food and biology) befasste sich mit grundlegenden molekularbiologischen Eigenschaften, die der Wissenschaft bislang Rätsel aufgaben, wie etwa dem Transport von Nährstoffen im Phloem von Pflanzen. Über den gesamten Verlauf des EU-finanzierten Projekts erzielte das NMR-Zentrum der Universität Wageningen bahnbrechende Erfolge in der agrartechnischen Pflanzen- und Tierforschung, u.a. bei der Erforschung von Ökosystemen, Nutrazeutika und neuen medizinisch wirksamen Substanzen. Mittels NMR wurden beispielsweise Störungen metabolischer Signalwege in Blutproben von Rindern untersucht, um Biomarker für Lebersteatose zu finden, die häufig bei Hochleistungsrindern auftritt. Entscheidende Fortschritte in bildgebenden und analytischen, insbesondere zerstörungsfreien Verfahren, waren dabei der Schlüssel zum Erfolg. So wurde etwa Magnetresonanztomographie (MRT)-Bildgebung für Referenzmessungen mit einer neuen nicht-invasiven Methode zur Bestimmung der Porengeschwindigkeit (Heat-Pulse-Methode) eingesetzt. Am Beispiel des Rizinusbaums konnte so die Wasserleitung in Bäumen unter Bedingungen der globalen Erwärmung untersucht werden. Analysen pflanzlicher Extrakte lieferten Aufschluss über therapeutisch wirksame Metaboliten. Mittels LC-NMR/MS (Kopplung von Flüssigkeitschromatographie mit NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie) gelang es, metabolische Profile in Extrakten aus fünf Reispflanzensorten zu analysieren. In Kombination mit genetischen Analysen können mit dieser Methode Regulierungsmechanismen von Flavonoiden erforscht werden. Flavonoide induzieren die Aktion wichtiger Abwehrenzyme gegen elektrophile Moleküle und oxidativen Stress. In grünem Tee fand sich nach genaueren NMR-Analysen ein neuer Signalweg für gesundheitsförderliche chemische Substanzen. Die hochempfindliche Analysetechnik dient auch dazu, neue funktionelle Komponenten in bislang nicht nachweisbaren Konzentrationen zu identifizieren, z.B. Neo-Clerodan-Diterpene. Derartige Substanzen können in Insektenschutzmitteln, aber auch in hepatotoxischen und zytotoxischen Analysen sowie in entzündungshemmenden Medikamenten eingesetzt werden. Mit der Anschaffung eines mobilen NMR sind nun auch zerstörungsfreie Untersuchungen an statischen Pflanzen wie etwa Bäumen möglich, um Daten über Biomasse, Phloemtransport, Kohlendioxidassimilation und Möglichkeiten zur Biotreibstoffherstellung zu gewinnen. Weiterhin können In-situ-Analysen an Wurzelsystemen, Exsudaten und Nährstoffsystemen durchgeführt werden. Man geht davon aus, dass vor allem in der Agrar- und Umweltforschung sowie bei der Herstellung von Naturarzneimitteln der Bedarf nach hochmodernen Analyseverfahren enorm steigen wird. Die Infrastruktur der Universität Wageningen, zu der inzwischen auch ein neues ESR-Spektrometer (ESR: Elektronenspinresonanz) mit entsprechender Software und Datenbanken gehört, wird viel dazu beitragen, diese Nachfrage zu decken.