Planters selvforsvar gør raps uspiselig og broccoli sund

Fra diverse storslåede naturprogrammer ved vi, at livet i den vilde natur er en lang kamp for overlevelse. Hvad der er mindre åbenlyst er, at kampen kæmpes lige så hårdt mellem biller og kålplanter som mellem løver og gazeller.

Umiddelbart er planter de oplagte tabere, men et kig ud af vinduet fortæller en anden historie. Da planter i sagens natur ikke har mulighed for at tage benene på nakken, hvis situationen bliver for ubehagelig, har de gennem evolutionen udviklet en anden strategi: kemisk krigsførelse.

Ved hjælp af enzymer er planter i stand til at lave komplekse kemiske forbindelser, som giver selv dygtige kemikere grå hår i hovedet. Gennem evolutionen er disse kemiske stoffer blevet finjusteret til brug i plantens forsvar mod fjender eller til at tiltrække bestøvere og frøspredere.

Det er netop denne finjustering, der gør plantestoffer særligt effektive til at påvirke vores krop som værdifulde smagsstoffer, duftstoffer, farvestoffer og potentielle lægemidler.

Avl kan ikke give den superoptimerede plante

For planten er det en stor ressourcemæssig investering at producere de kemiske stoffer. Derfor sørger den for kun at producere dem, når og hvor det er nødvendigt.

Denne regulering er dog et problem, når vi ønsker at udnytte plantestofferne til vores eget formål.

Siden agerbruget opstod cirka 9.000 år f.Kr. har mennesket gennem avl udvalgt de planter, som gav det højeste udbytte, havde den bedste smag og var fri for bitre giftstoffer. Men avl kan ikke altid få os hele vejen til den super-optimerede plante.

Et eksempel er afgrøder fra korsblomstfamilien, der tæller grøntsager som broccoli, kål og rucola og energiafgrøder som raps. Medlemmer af korsblomstfamilien er bevæbnet med glucosinolater, plantestoffer, som dannes fra aminosyrer, og som giver den skarpe, svovlagtige smag, man kender fra rucola og sennep.

Canola er mindre resistent overfor skadedyr end superbroccoli

Glucosinolater er også med til at gøre de korsblomstrede grøntsager ekstra sunde. Især broccoli er i flere videnskabelige studier blevet kædet sammen med en reduceret risiko for mange typer af kræft og hjerte-kar-sygdomme.

Kliniske studier har vist, at de gavnlige virkninger skyldes glucosinolatet glucoraphanin. Desværre svinger indholdet af glucoraphanin i broccoli meget, derfor har man fremavlet en superbroccoli med ekstra højt indhold af glucoraphanin.

Alligevel skal man stadig spise over 400 gram superbroccoli om ugen for at opnå den fulde cancerforebyggende effekt.

Canola er mindre resistent over for skadedyr

Lige så godt glucoraphanin fra broccoli er i kampen mod kræft, lige så dårligt er glucosinolatet progoitrin fra rapsfrø for svin og kyllinger. Restproduktet fra rapsolieproduktion, kaldet rapskagen, er rig på protein og kunne erstatte importeret soja i dyrefoder med store klimamæssige fordele til følge.

Problemet med rapskagen er det høje indhold af væksthæmmende progoitrin. Canola er en type af raps, som er fremavlet til at have et lavere indhold af progoitrin.

Desværre er canola mindre resistent over for skadedyr, netop på grund af det lavere indhold af progoitrin, som også er giftigt for insekter. Derfor kræver dyrkning af canola større mængder sprøjtegift til skade for miljøet.

Progoitrin laves i bladene, men opbevares i frøene

Ligesom leveren, hjerte og vores andre organer har specialiseret vores krops forskellig behov, samarbejder planters højt specialiserede organer, blade, rødder, stængler, blomster og frø, om plantens overlevelse.

Bladene er ikke bare stedet, hvor planter indfanger energien fra sollys og gemmer den som sukker, men også her hvor glucosinolater produceres. Denne proces kaldes biosyntese. Glucosinolaterne bliver dog ikke her.

Som den betænksomme forælder den er, pakker rapsplanten sine frø fulde af progoitrin, så frøene og de små kimplanter kan forsvare sig mod insekter og andre fjender. Mellem bladene og frøene transporteres glucosinolater gennem det system af kar, som forbinder roden med blade og frø.

I stedet for blod flyder planters årer med vand og sukkersaft. Transporten ud af bladcellerne og ind i frøet klares af særlige pumper, som slet og ret kaldes transportproteiner. Transportproteiner er også uundværlige i vores krop, hvor de blandt andet klarer optaget af næringsstoffer fra tarmen.

Ved at slukke for transportproteinerne fik man progoitrinfri frø

Da frø mangler de enzymer som laver glucosinolater, er det altså transportproteinerne alene som styrer, hvilke glucosinolater som kommer ind.

Forskere fra grundforskningscenteret Dynamo på Københavns Universitet har fundet generne for to transportproteiner som pumper progoitrin ind i frøet på raps' fætter den lille modelplante Arabidopsis thaliana.

Da forskerne fjernede transportproteinerne ved at slukke for deres gener, fik de en plante, hvor frøene var fri for progoitrin. Indholdet i bladene var derimod uændret, og planterne var lige så modstandsdygtige over for insekter som før.

DynaMo har indgået et samarbejde med firmaet Bayer Crop Science om at overføre deres viden fra Arabodopsis og udvikle en progoitrin-fri raps til landbruget.

Mikroorganismer sikrer bæredygtig produktion af glucoraphanin

Selvom planter er dygtige kemikere, er de dårligt egnet til at producere det samme stof i store mængder. Deres produktioner følsom over for plantens alder og dyrkningsbetingelser. Nogle stoffer holder sig heller ikke lige godt efter at planten er blevet høstet og kan blive yderligere nedbrudt under tilberedning eller nedfrysning.

At spise nok broccoli til at opnå den fulde cancerbeskyttende virkning af glucoraphanin vil være en udfordring for de fleste. Mikroorganismer som gær og svampe er derimod gode til at producere kemikalier i stor stil.

Mennesket har udnyttet mikroorganismer som kemiske fabrikker til produktion af alkohol og eddikesyre mindst lige så længe, som vi har dyrket jorden.

Takket være moderne bioteknologiske værktøjer som gensplejsning producerer mikroorganismer i dag mikroorganismer i dag enzymer til vaskemiddel, antibiotika, insulin og andre nyttige stoffer uden farlig kemi.

Dimethioninproduktionen er stadig lav

I DynaMo er vi begyndt på et engineeringprojet, som skal munde ud i en mikrobiel platform til produktion af glucoraphanin til kosttilskud. Bakterien Escherichia coli bliver gensplejset med 13 gener fra modelplanten Arabidopsis thaliana.

Indtil nu er de første fem gener blevet flyttet fra plante til bakterie. Her omdanner de godt nok aminosyren methionin til dihomomethionin, som er et vigtigt mellemprodukt i glucoraphanin-biosyntesen.

Desværre er produktion af dimethionin stadig lav, hvilket tyder på at enzymerne ikke arbejder lige så effektivt som i det naturlige miljø i bladene på Arabidopsis. I DynaMo forsøger vi for eksempel med avanceret mikroskopiteknologi at kortlægge hvordan enzymerne samarbejder i planten.

I bakteriecellen kan problemet med lav produktion løses ved for eksempel at hæfte enzymerne sammen så de nemmere kan samarbejde i det fremmede miljø. Næste trin er at gensplejse med de resterende otte gener, som vi allerede ved virker hver for sig i E. coli.

Resultaterne fra DynaMos forskning i planters transportmekanismer og engineering af plantestoffer i mikroorganismer har vist os nye veje til optimerede afgrøder og bæredygtig produktion af sundhedsfremmende stoffer.

Denne viden bliver vigtig i en verden hvor vand, næringstoffer og landbrugsjord skal række både til fødevare-, brændstof- og kemikalieproduktion. Samtidig er det to glimrende eksempler på at grundforskning skaber ny innovation, ligesom anvendt forskning rejser nye interessante grundvidenskabelige spørgsmål.