Kaki og kanel kan hjælpe med at forstå naturens kredsløb

Miljø og bæredygtighed 31. jan 2022 4 min Professor Katja Salomon Johansen, Postdoc Radina Tokin Skrevet af Morten Busch

Siden japanerne i oldtiden opdagede kakifrugters egenskaber, er dens safter blevet brugt til at beskytte træ og papir og som antimikrobielt middel – uden at man forstod, hvorfor det virkede. Nu har forskere undersøgt kaki, kanel og hundredevis af andre planteekstrakter for at finde stoffer, der kan hjælpe os med at blive bedre til at udnytte affald i den grønne omstilling. De selvsamme processer, som forskerne finder i naturens kredsløb, kan have betydning for, om mikroorganismer kan angribe mennesker.

Interesseret i Miljø og bæredygtighed? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

Vi ser det ikke, men går man en tur gennem skoven, er man konstant vidne til en kamp om næringsstoffer og samtidig et afbalanceret samspil mellem majestætiske træer og småbitte undseelige mikroorganismer. I disse år er et stigende antal forskeres opmærksomhed rettet mod at forstå, hvad det er, der sker. Dels for at sikre, at man ikke smadrer naturens delikater balancer – dels for at prøve at genskabe nogle af naturens processer i laboratorier og sidenhen i stor skala i industrien.

”Vores forskning fokuserer på de processer, der nedbryder plantecellevægge i naturen. Svampe bruger fx enzymer til at nedbryde biomasse, fx tørvejord og træ, når de skal optage næring. Hvis vi kan kopiere de processer i industrielle bioraffinaderier, kan der skabes energi og materialer fra det, vi i dag kalder affald. I vores seneste studier har vi fundet nogle interessante stoffer i fx kakifrugter og især kanel, der kan hjælpe med at regulere nogle af de centrale enzymer i det naturlige kredsløb,” forklarer professor Katja Salomon Johansen ved Institut for Geovidenskab og Naturforvaltning på Københavns Universitet.

For uspecifik effekt

Fermenteret saft fra umodne kakifrugter har haft stor betydning i asiatisk kultur, madlavning, medicin og ikke mindst som træ- og papirbeskyttelse. Hvorfor, kakiekstrakterne virker, har dog været usikkert. Man har vidst, at de indeholder stoffer, der kan bremse enzymer i fx svampe fra at nedbryde stoffet cellulose i planter og træers cellevægge. På den måde kan fx strukturerne i træværk bevares. Men hvordan, den beskyttelse foregik, har der været tvivl om.

”Vi besluttede os for at undersøge kakis effekt på en type enzymer, såkaldte LPMO'er, og en cocktail af cellulose hydrolaser, som, vi ved, mikroorganismer bruger naturligt til at nedbryde cellulose. Ved at forstå de mekanismer, der påvirker de her enzymer, håber vi at kunne finde måder til at tænde og ikke mindst slukke igen for de her enzymer – og dermed for nedbrydningen. Det er en viden, der kan vise sig at være helt central, hvis vi skal blive bedre til at udnytte plantebiomasse,” fortæller Katja Salomon Johansen.

LPMO-enzymer eller Lytic polysaccharide monooxygenases betragtes som et gennembrud i den industrielle nedbrydning af cellulose i biomasse, fordi enzymerne ved tilstedeværelse af ilt fremskynder spaltningen af de lange sukkerpolymerer. I dag er LPMO'er derfor en central komponent i enzymcocktails, der bruges til produktion af bioethanol.

”Det er især de såkaldte tanniner i kaki, som vi rettede vores opmærksomhed mod. Tanniner eller garvesyre kendes fra bl.a. rødvin, hvor de ved at påvirke og udfælde enzymer i spyt skaber en bitter smag og en tør fornemmelse. Forskerne havde derfor en mistanke om, at tanninerne i kaki også kunne have en effekt på LPMO’erne,” uddyber Katja Salomon Johansen.

Forskerne kunne se, at effekten på LPMO-enzymerne af hhv. kakiekstrakterne og garvesyre lignede hinanden. Når de tilsatte et enzym – en såkaldt tannase – der kan ødelægge tanninerne, forsvandt den hæmmende effekt.

”Det tyder altså på, at interaktionen mellem tannin og enzymer spiller en væsentlig rolle for den hæmmende effekt af kaki. Det ser desværre ud til, at samspillet mellem kaki og LPMO-enzymer er for uspecifik og vil blive påvirket for meget af eksterne faktorer som surhedsgrad til, at vi vil kunne bruge det industrielt, ligesom tanninerne i kaki vil forventes at forstyrre andre enzymer i en industriel cocktail også,” siger Katja Salomon Johansen.

Stort bibliotek af ekstrakter

Selv om studiet af kakiekstrakterne ikke gav et nyt effektivt værktøj til at regulere industrielle processer, er den ny viden langtfra overflødig, da den er et led i det igangværende puslespil, der giver det samlede billede af LPMO’ernes funktion.

”Vi ved, at mikroorganismer og planter har udviklet sig med en bemærkelsesværdig evne til at forsvare sig mod rovdyr og konkurrenter ved at producere et væld af forsvarsforbindelser. Med dette i tankerne undersøgte vi hypotesen om, at nogle planter kan producere forbindelser, der er hæmmende for især LPMO'er,” forklarer siger en af hovedforfatterne på dette studie Radina Tokin, postdoc ved Section for Molecular Plant Biology, Department of Plant and Environmental Sciences, University of Copenhagen.

Og faktisk førte forskernes store bibliotek af hundredvis af ekstrakter til opdagelsen af den første rapporterede naturlige LPMO-hæmmer fra kanelbark, stoffet cinnamtannin B1.

”Det er fascinerende, at kanel, et krydderi, der findes i de fleste hjem, skilte sig ud blandt alle andre ekstrakter. Det er blevet brugt gennem tiderne for dets medicinske egenskaber, som dets antiinflammatoriske og antioxidante virkninger,” uddyber Radina Tokin.

Kan spille en rolle i infektion

I modsætning til kakiekstrakten ser stoffet fra kanel ud til at have en meget mere specifik effekt. Ud fra krystallografi kunne forskerne præcis se, hvor den binder sig til overfladen af LPMO’erne – tæt på enzymets aktivitetscentrum samt i en lomme på den modsatte side af proteinet.

”Så med cinnamtannin B1 ser vi ud til at have fundet et stof som vi kan bruge til at bremse processerne i store bioindustrielle tanke – altså en slags stop-knap,” siger Radina Tokin.

Studiet understreger, at der findes specifikke naturlige LPMO-hæmmere i naturen, så jagten fortsætter dels på stoffer, der kan have en fremtidig udnyttelse i forskellige bioteknologiske sammenhænge, eksempelvis brændstoffer, materialer og fødevarer. Samtidig er studierne af LPMO’erne helt central for at forstå, hvordan svampe og andre mikroorganismer i naturen nedbryder kulstofholdige forbindelser fra planter og træer og derigennem sikrer balance i kulstofkredsløbet i naturen.

"Vores forståelse af, hvordan LPMO-enzymer virker, er blevet udvidet. Vi ved nu, at de er mere end blot biomassenedbrydende enzymer. Spørgsmålet om, hvordan man kontrollerer deres aktivitet, er dog stadig åbent. Dette er et ganske vigtigt spørgsmål at undersøge, da LPMO'er er blevet foreslået at spille en rolle i infektion med sygdomsfremkaldende mikroorganismer. Når vi tænker på LPMO-hæmning, inspirerer det til en række potentielle anvendelser. Nogle eksempler er udvikling af medicin, bæredygtige pesticider til landbrugsbrug, tilpasset dyrefoder og endda miljøvenlig materialebelægning," slutter Katja Salomon Johansen.

"Inhibition of LPMOs by Fermented Persimmon Juice" er udgivet i Biomolecules. "Inhibition of lytic polysaccharide monooxygenase by natural plant extracts" er udgivet i New Phytologist. Katja Salomon Johansen, Andrew Alspaugh og Paul Dupree modtog i 2021 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet "Mechanisms of lytic polysaccharide monooxygenases in fungal pathogenesis: directing polysaccharide structure and metabolism in Cryptococcus neoformans"

Enzymes that catalyse decomposition of plant materials have pivotal roles both in nature and in biotechnological processes. They are the focus of my r...

The Section for Molecular Plant Biology elucidates the mechanism and regulation of photosynthesis, primary and specialized metabolism, and non-coding...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020