Som djur och människor, växter har ett slags immunförsvar. Det kan t.ex. känner igen patogena svampar av kitinet i deras cellväggar, utlöser sjukdomsresistens. Vissa svampar gömmer sig från immunsystemet genom att modifiera några av kitinbyggstenarna, omvandlar kitin till kitosan. Forskare vid universitetet i Münster fann nu att växter kan reagera på ett visst mönster i denna kitosan, stimulerar deras immunförsvar. De håller redan på att utveckla en kitosanbaserad växtimmunstimulerande medel för att minska användningen av kemiska bekämpningsmedel i jordbruket. Deras resultat publiceras i JACS ( Journal of the American Chemical Society ).

Bakgrund

Chitosaner, så kallade polysackarider, är förmodligen de mest mångsidiga och lovande funktionella biopolymererna. Kitosaner kan göra växter resistenta mot sjukdomar, främja deras tillväxt, och skydda dem från värme eller torka stress. Under kitosandressingar, även stora sår kan läka utan ärr, kitosan-nanopartiklar kan transportera läkemedel över blod-/hjärnbarriären, och kitosaner kan ersätta antibiotika i djuruppfödning som antimikrobiella och immunstimulerande fodertillsatser. Men självklart, chitosaner är inte heller mirakelkurer. "Det finns många olika kitosaner och för varje enskild applikation, exakt rätt måste hittas för att det ska fungera. Tills nu, vi visste alldeles för lite om deras effekter och hur de kan användas effektivt. Med vår forskning, vi har nu kommit ett steg närmare denna förståelse, " förklarar professor Bruno Moerschbacher från Institutet för biologi och bioteknik för växter vid Münster University.

Kitosaner består av kedjor av olika längd av ett enkelt socker som kallas glukosamin. Vissa av dessa sockermolekyler bär en ättiksyramolekyl, andra gör det inte. Kitosaner skiljer sig därför åt i tre faktorer:kedjelängden och antalet och fördelningen av ättiksyrarester längs sockerkedjan. I ungefär tjugo år, kemister har kunnat producera kitosaner med olika kedjelängder och med olika mängd ättiksyrarester, och biologer har sedan undersökt deras biologiska aktiviteter.

Således, långsamt utvecklades en förståelse för hur dessa två faktorer påverkar den antimikrobiella eller växtstärkande effekten av kitosaner. Sådana välkarakteriserade kitosaner, nu kallade andra generationens kitosaner, används för närvarande som grund för nya kitosanbaserade produkter som växtbiostimulanten "Kitostim" som utvecklades baserat på Münster-teamets forskningsresultat. Det främjar tillväxt och utveckling av växter, och det stärker dem mot sjukdomar och värmestress.

Bruno Moerschbacher misstänkte tidigt att den tredje strukturella faktorn, fördelningen av ättiksyrarester längs sockerkedjan, spelar också en avgörande roll för att bestämma biologiska aktiviteter. Dock, denna hypotes kunde inte testas på länge eftersom ättiksyraresterna är slumpmässigt fördelade i alla kemiskt framställda kitosaner. Som biokemister och bioteknologer, medlemmarna i hans team har därför använt enzymer för produktion av kitosaner, dvs de naturliga "verktygen" som är involverade i biosyntesen av kitosan i kitosaninnehållande svampar. Med deras hjälp, de har nu lyckats producera korta kitosan-kedjor, så kallade oligomerer, med ett definierat arrangemang av ättiksyramolekyler, och testade deras bioaktivitet.

För detta test, forskarna använde risceller som de behandlade med kitosanoligomerer för att stimulera deras immunförsvar. När de använde kitosanoligomerer bestående av fyra sockerenheter (så kallade tetramerer) som bara bär en enda ättiksyrarest, de fann att tetrameren med ättiksyraresten vid den första ('längst till vänster') sockerenheten (den så kallade icke-reducerande änden) hade en stark immunstimulerande effekt, medan de andra tre tetramererna var mindre aktiva eller inaktiva. Således, mycket tydliga skillnader i bioaktivitet hittades mellan kitosaner med samma kedjelängd (fyra) och samma antal ättiksyrarester (en) när de skilde sig i positionen för ättiksyraresten. Forskarna under ledning av Bruno Moerschbacher testar just nu användningen av denna tetramer som ett slags vaccin som stimulerar växternas naturliga immunförsvar.

Syn

Ett så tydligt beroende av bioaktiviteten hos ett komplext socker på dess molekylära struktur har nästan aldrig observerats tidigare. Det första och hittills enda exemplet var mänskligt heparin, vars antikoagulerande effekt bygger på en viss fördelning av svavelsyrarester längs sockerkedjan. Det är nu känt att heparin uppnår denna effekt genom att binda en koagulationsfaktor till detta specifika bindningsställe, därmed inaktivera den. Och på grundval av denna kunskap, det har varit möjligt att utveckla antikoagulantia med exakt doserad effekt och utan biverkningar, som är en välsignelse för dialyspatienter, till exempel. "Det är nu vår förhoppning att de exakt definierade kitosanerna kan användas på ett liknande sätt för att möjliggöra, till exempel, ärrfri sårläkning under kitosanförband, sade Bruno Moerschbacher, vars forskargrupp redan samarbetar med hudläkare och andra biomedicinska experter.