Eine Vielzahl natürlich vorkommender halogenierter Substanzen besitzt eine nachgewiesene antimikrobielle oder pharmakologische Wirkung wie beispielsweise die Antibiotika Vancomycin und Chloramphenicol oder das potentielle Chemotherapeutikum Rebeccamycin. Aufgrund der großen Relevanz sowie der aufwendigen und schwierigen chemischen Synthese dieser Substanzen wurde intensiv an der Identifizierung und Charakterisierung halogenierender Enzyme sowie den zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen geforscht. Innerhalb der letzten 15 Jahre wurden dabei verschiedene bakterielle, Flavin-abhängige Tryptophan-Halogenasen charakterisiert und hinsichtlich ihrer regio-spezifischen Substitution von Chlorid an aromatische Ringsysteme untersucht. Von großem Interesse ist dabei die Halogenierung sekundärer Pflanzenstoffe, um neue Wirkmechanismen hervorzurufen oder eine weitere Modifizierung des Moleküls durch Substitutionsreaktionen zu vereinfachen. Daher ist die Anwendung dieser Enzyme in der Pflanzenbiotechnologie von großem Interesse. Die erfolgreiche Biosynthese chlorierter monoterpenoider Indolalkaloide (MIAs) durch die Halogenierung von Vorläufermolekülen durch die Tryptophan-Halogenase RebH wurde bereits in Catharanthus roseus beschrieben. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden die drei Tryptophan-Halogenasen RebH wt, RebH Y455W und zum ersten Mal Stth hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität, der Synthese hochwertiger Feinchemikalien sowie der Modifizierung von Strictosidin, das Vorläufermolekül aller MIAs, untersucht. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass sowohl RebH wt als auch Stth die Chlorierung von Tryptophan und Tryptamin mit großer Effizienz im Cytosol sowie in Chloroplasten katalysieren. Die halogenierten Produkte akkumulierten in hohen Konzentrationen mit bis zu 6.17 ± 2 ng/mg Frischgewicht (6-Chlortryptamin) in transient transformierten Nicotiana benthamiana Blättern. Bemerkenswerter Weise waren beide Halogenasen auch ohne die Flavinreduktase RebF in Chloroplasten aktiv, während im Apoplasten keine enzymatische Aktivität nachgewiesen werden konnte. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Co-Lokalisation beider Enzyme im Cytosol oder den Chloroplasten eine Doppelhalogenierung von Tryptophan, jedoch nicht von Tryptamin, bewirkt. RebH wt synthetisierte alleine ebenfalls geringer Mengen an Dichlortryptophan. Außerdem waren beide Halogenasen in der Lage, Tryptophan in sehr effizienter Weise zu bromieren, was zur Synthese mono- und dibrominierter Tryptophanderivate sowie Chlor-Bromtryptophan führte. Im Gegensatz dazu wies die Halogenase-mutante, RebH Y455W, welche Tryptamin anstelle von Tryptophan umsetzt, nur eine sehr geringe Aktivität auf. Diese Ineffizienz konnte auch durch die Verbesserung des Metabolitenflusses, nach Verankerung aller relevanten Enzyme an einem Proteingerüst, nicht kompensiert werden. Neben der katalytischen Charakterisierung, wurden die drei Halogenasen in den ursprünglich von Warzecha et al. entwickelten Indoxyl-Biosyntheseweg integriert, um auf diese Weise die Produktion halogenierter Indikanderivate in planta zu ermöglichen. Die Synthese dieser wertvollen Feinchemikalien war jedoch weder nach transienter oder stabiler Transformation von Tabak nachweisbar. Die Optimierung des Synthesewegs durch Integration der Tryptophanase TnaA aus Escherichia coli resultierte zuletzt in einer hohen Akkumulation von 6- und 7-Chlorindikan. Des Weiteren, ist der optimierte Syntheseweg äußerst flexibel und erlaubt sowohl eine Co-Lokalisation als auch die Aufteilung der Enzyme zwischen dem Cytosol und den Chloroplasten. Interessanter Weise konnte für die die humane Cytochrom P450 Mutante, 2A6 L240C/N297Q, in Chloroplasten ebenfalls eine hohe Aktivität nachgewiesen werden, was auf einen alternativen Elektronentransport, vermutlich vom Photosystem I, hindeutet. Eine weitere Optimierung dieses Produktionssystems durch die Einführung weiterer Enzyme sowie der Etablierung transgener Tabakpflanzen oder Zellkulturen, ermöglicht die effiziente und ökologische Produktion einer Vielzahl halogenierter Indigoide in planta. Zuletzt wurde die Rekonstitution sowie die Modifikation des Strictosidin-Biosynthesewegs zur Produktion halogenierter Derivate dieses MIA-Vorläufermoleküls untersucht. Dabei konnten 14 Metaboliten detektiert werden, deren Akkumulation mit der Expression der Transgene korrelierte; die Biosynthese fünf dieser Moleküle wurde durch die Zugabe des Vorläufers Geraniol verstärkt, während vier Substanzen ausschließlich nach Geraniol-Applikation nachweisbar waren. Allerdings konnte keiner dieser Metaboliten dem Strictosidin-Biosyntheseweg zugeordnet werden. Auch die weitere Optimierung durch eine verbesserte Synthese von Vorläufermolekülen sowie der konstitutiven Genexpression in transgenem Tabak, führte nicht zur Akkumulation der gewünschten Moleküle. Um eine effiziente Produktion halogenierter Strictosidinderivate zu ermöglichen, müssen daher Engpässe im Biosyntheseweg beseitigt und die ineffiziente Mutante RebH Y455W durch Wildtyphalogenasen ersetzt werden. Zusammengefasst ist die Verwendung der hier untersuchten Flavin-abhängigen Tryptophan-Halogenasen zur Biosynthese wertvoller Moleküle in Pflanzen sehr vielversprechend. Ihre hohe Effizienz ermöglicht eine wirtschaftliche und ökologische Produktion wertvoller halogenierter Substanzen mit großen Ausbeuten in planta.