Lukas Schulz (Technische Universität München)
Lukas Schulz neben dem Solid Supported Membrane (SSM) Elektrophysiologie System. Foto: Carlos Agios
Lukas Schulz erhielt den Preis für die beste pflanzenwissenschaftliche Master-Arbeit, die an der Technischen Universität München im Jahr 2022 erstellt wurde, von der Deutschen Botanischen Gesellschaft.
Titel der ausgezeichneten Arbeit: "Biochemische und Biophysikalische Charakterisierung von PIN-FORMED Protein 8 aus Arabidopsis thaliana"
Schulz hat in seiner Arbeit eine neue elektrophysiologische Methode zur Charakterisierung von Transportproteinen etabliert und die biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften eines PIN-FORMED (PIN) Auxin Exporters erstmals umfassend charakterisiert. Teile seiner Arbeit fanden Eingang in einen Nature-Artikel (DOI: 10.1038/s41586-022-04883-y).
Das Phytohormon Auxin steuert fast alle Aspekte des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung. Das am häufigsten vorkommende Auxin ist Indol-3-Essigsäure (IAA). Es wird in der Pflanze über das Phloem und über polaren Auxintransport (PAT) von Zelle zu Zelle transportiert. IAA ist eine schwache Säure und kann daher bei einem pH von 5 passiv über die Membran diffundieren. In der Zelle, bei einem neutralen pH von 7, dissoziieren fast alle IAA Moleküle und Auxinexporter sind nötig, um Auxin aus der Zelle zu transportieren. Die PIN-FORMED (PIN) Proteine sind dabei die Schlüsselfiguren im polaren Auxintransport. In Arabidopsis thaliana gibt es acht verschiedene PIN Proteine, welche in drei Untergruppen unterteilt sind, die kanonischen plasmamembranlokalisierten PINs, die nicht-kanonischen ER- lokalisierten PINs und den intermediären PIN6. Kürzlich wurde die Struktur des nicht- kanonischen PIN8 in der Publikation "Structures and mechanism of the plant PIN- FORMED auxin transporter" aufgeklärt. PIN Proteine formen Dimere welche nach dem Elevator-Mechanismus funktionieren. Weite Teile der Ergebnisse dieser Arbeit, die biochemische und biophysikalische Charakterisierung des PIN8 unter Verwendung von Solid Supported Membrane (SSM)-Elektrophysiologie fanden in der Publikation Verwendung.
Um die SSM-Elektrophysiologie besser zu verstehen, wurde als erstes ein Modell der Proteoliposomen aufgestellt und der elektrogene Transport mathematisch hergeleitet. Zusätzlich wurde die Sensorvorbereitung optimiert und kritisch evaluiert. Ein weiterer Teil der Arbeit war die Unterscheidung von Bindungs- und Transportsignal der PIN8- Substrate IAA und 1-N-Naphthylphthalaminsäure (NPA) in der SSM- Elektrophysiologie. Die Ergebnisse zeigen, dass der Inhibitor NPA einen Bindungsstrom induziert, während IAA sowohl einen Bindungs- als auch einen Transsportstrom induziert. Zusätzlich wurden die Bindungs- bzw. Transport- und Inhibitionskonstanten bestimmt, welche eine verhältnismäßig niedrige Affinität des Transporters für IAA zeigen. Um den Transportmechanismus von PIN8 besser zu verstehen, wurden die Transporteigenschaften von PIN8 Mutanten untersucht. Die Ergebnisse der SSM-Elektrophysiologie wurden zusätzlich durch Effluxassays in Xenopus laevis Oozyten validiert. Die Ergebnisse der beiden Assays stimmen im Wesentlichen überein. Zusätzlich zu den PIN8 Mutanten wurde noch ein Substrat Screening durchgeführt, um die Substratspezifität von PIN8 zu untersuchen.
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Lukas Schulz fertigte die Arbeit am Lehrstuhl für Systembiologie der Pflanzen in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Ulrich Z. Hammes an.