Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie | Leibniz Institut

Programmbereich IIIWorking Group III

Programmbereich III. Physiologische Wirkung von Lebensmittelinhaltsstoffen

Leitung: PD Dr. Dietmar Krautwurst

Forschung:

Unser Ziel ist es, die Interaktion von Lebensmittelinhaltstoffen mit zellulären, molekularen Zielstrukturen (z.B. Rezeptoren, Ionenkanäle) aufzuklären. Ein Schwerpunkt ist hier, die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Interaktion von Schlüsselaromastoffen und ihren Gemischen mit den 390 menschlichen Geruchsrezeptoren und anderen Biomolekülen, z.B. Ionenkanälen. Weitere Schwerpunkte sind Untersuchungen zur physiologischen Wirksamkeit von Lebensmittelinhaltsstoffen und deren Metaboliten auf das zelluläre Immunsystem, sowie auf Zellen des Gastrointestinaltrakts.

Identifizierung und Charakterisierung von Geruchsrezeptoren für spezifische Schlüsselaromastoffe

Die Erkennung einer Vielzahl von Geruchsstoffen ist hauptsächlich durch die große Familie der Geruchsrezeptoren gewährleistet, die beim Menschen von rund 390 Genen kodiert werden. In Lebensmitteln sind mehrere hundert flüchtige Substanzen bekannt, die als sog. Schlüsselaromastoffe das Aroma von Lebensmitteln maßgeblich mitbestimmen. Als biologisch relevante Geruchsstoffe zählen die Schlüsselaromastoffe zu den besten Aktivatoren unserer Geruchsrezeptoren. Mit Hilfe menschlicher Zellsysteme, und durch Testung von Schlüsselaromastoffen und ihrer lebensmittelrelevanten Gemische gegen 300 menschliche Geruchsrezeptoren identifizieren wir spezifische Geruchsstoff-Rezeptor-Paare. Die Kenntnis solcher funktioneller Schlüsselaromastoff-Geruchsrezeptor-Kombinationen ist die Vorraussetzung für die Entwicklung von Antagonisten für Fehlaromen/Störgerüche, und ermöglicht die Aufklärung der Mechanismen spezifischer Anosmien für einzelne Geruchsstoffe. Darüber hinaus wird die Aufklärung der Struktur-Wirkungsbeziehungen von Schlüsselaromastoffen, sowie der Struktur-Funktionsbeziehungen ihrer Rezeptoren zu einem Verständnis der molekularen Grundlagen der Geruchsstoffkodierung führen.

Geruchsrezeptoren kommen auch ausserhalb der Nase in zahlreichen Organen und Geweben vor, wo sie völlig neue, chemosensorische Aufgaben erfüllen können. Schlüsselaromastoffe können darüberhinaus auch Ionenkanäle aktivieren oder inhibieren, z.B. TRP-Kanäle, die ebenfalls in der Nase und in vielen anderen Geweben vorkommen.

Eine gesunde und ausgewogene Ernährung ist den Verbrauchern heute fast ebenso wichtig wie der sensorische Aspekt von Lebensmitteln. Deshalb untersuchen wir auch die physiologischen Wirkungen von Lebensmittelinhaltsstoffen auf Zellen des Gastrointestinaltrakts und das zelluläre Immunsystem.

Physiologische Wirksamkeit von Lebensmittelinhaltsstoffen auf Zellen des Gastrointestinaltrakts

Bei ihrer Passage durch den Gastrointestinaltrakt können Lebensmittelinhaltsstoffe vielfältige zelluläre Wirkungen entfalten. Die Kenntnis der Wechselwirkung von Lebensmittelinhaltsstoffen mit spezifischen, zellulären Zielstrukturen (z.B. Rezeptoren, Ionenkanälen) ist die Vorraussetzung für ein Verständnis von gesundheitsfördernden oder gesundheitsschädlichen Einflüssen von Lebensmittelinhaltsstoffen. Die praktischen Forschungsarbeiten werden anhand von zellbasierten Screeningmethoden (z. B. Zellen und Gewebe des Gastrointestinaltraktes) durchgeführt. Die physiologische Wirkung von Lebensmittelinhaltsstoffen auf zelluläre Modellsysteme wird zumeist mit Experimenten untersucht, in denen die Wirkung eines bestimmten Inhaltsstoffes isoliert erfasst wird. Dabei messen wir die Effekte einzelner Lebensmittelinhaltsstoffe auf funktionelle Eigenschaften verschiedener Gewebe (z.B. Magensäuresekretion), und erfassen auch zellphysiologische Parameter, wie Signaltransduktion und Genregulation.

Physiologische Wirksamkeit von Lebensmittelinhaltsstoffen und deren Metaboliten auf das zelluläre Immunsystem

Nach Aufnahme über den Gastrointestinaltrakt gelangen Lebensmittelinhaltstoffe in den Blutkreislauf und können hier auf das zelluläre Immunsystem wirken. Unser Ziel ist die Identifizierung und Quantifizierung physiologisch wirksamer Lebensmittelinhaltsstoffe und ihrer im Organismus gebildeten Metabolite. Diese müssen nicht notwendigerweise dieselbe physiologische Funktion aufweisen, wie die im Lebensmittel enthaltene Ausgangsverbindung. Deshalb wollen wir sowohl die Struktur-Wirkungsbeziehungen von Lebensmittelinhaltsstoffen und ihren Metaboliten, als auch die molekularen Zielstrukturen (Chemorezeptoren, TRP-Ionenkanäle) auf Zellen, vor allem des Immunsystems, aufklären. Im Lebensmittel jedoch liegt der einzelne Wirkstoff immer im Kontext eines komplexen Wirksystems einer Vielzahl von Lebensmittelinhaltsstoffen vor (z. B. Kaffee, Wein, Tee). Unser Ziel ist es deshalb auch die zellphysiologische Wirkung einfacher, binärer Mischungen bis hin zu komplexen Gemischen von Lebensmittelinhaltsstoffen zu untersuchen. Für unsere Forschung nutzen wir Durchflußzytometrie und andere zellbasierte Methoden auf verschiedene Typen isolierter Blutleukozyten. Wir untersuchen Effekte von Lebensmittelinhaltsstoffen auf funktionelle Parameter, wie Chemotaxis, Cytokin- und Antikörpersekretion, sowie auf zellphysiologische Parameter, wie Signaltransduktion und Genregulation. Für eine abschließende Beurteilung der ex-vivo gefundenen zellulären Wirkmechanismen isolierter Lebensmittelinhaltsstoffe, oder komplexer Wirkstoffgemische aus verschiedenen Lebensmitteln, sind humane Interventionsstudien vorgesehen.

Methoden

Klassische molekularbiologische Methoden, Methoden der molekularen Zellphysiologie und Chemorezeption, gentechnisch etablierte Zelllinien, Primärzellkultur, RT-qPCR, siRNA knock-down, in-situ-Hybridisierung, Immuncytochemie, konfokale Fluoreszenzmikroskopie, Durchflußcytometrie, zelluläre Funktionsassays wie Einzelzell-Ca2+-Imaging, Chemotaxis-Assays, Biolumineszenz-Assays, Impedanzmessungen, sensorische Tests am Menschen, wie auch chemisch-analytische Verfahren (HPLC-DAD, -UV, NMR- sowie LC- und GC-MS/MS).