Gentechnisch veränderte Pflanzen könnten umweltfreundliche Chemiefabriken der Zukunft sein
Die synthetische Biologie will existierende Organismen modifizieren, indem sie biologische Systeme basierend auf IT und dem Ingenieurswesen entwickeln. Ein zentraler Ansatz ist dabei die Entwicklung und Einführung künstlicher Genome in Zellen. Genome liefern den Organismen die genetischen Informationen. „Pflanzen sind besonders interessante Ziele für die synthetische Biologie“, erklärt der Projektkoordinator von GENEVOSYN, Ralph Bock, Leiter des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Deutschland. „Erstens können ihre Genome relativ einfach verändert werden. Dann können Pflanzen selbst größere Veränderungen ihrer Genome überstehen. Drittens, und das ist am wichtigsten, alles Leben auf unserem Planeten hängt von Pflanzen ab. Sie produzieren den Sauerstoff, den wir atmen, und die Nahrung, die wir zu uns nehmen.“ „Mit Perspektive auf die wachsende Weltbevölkerung und die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel muss die landwirtschaftliche Produktivität sich bis 2050 verdoppeln“, meint Bock. „Wir brauchen neue erneuerbare Quellen für Chemikalien und Brennstoffe. Wir brauchen dringend neue Technologien. Hier kann die synthetische Biologie eine wichtige Rolle spielen.“
Anwendung der genomischen Manipulation
Das Projekt GENEVOSYN wird vom Europäischen Forschungsrat unterstützt und baut auf der bahnbrechenden Arbeit von Bock auf, der Instrumente zur Erzeugung der Genome von zwei Zellorganellen – Strukturen, die bestimmte Funktionen in Zellen übernehmen – namens Chloroplasten und Mitochondrien entwickelte. Die Genome dieser zwei Organellen sind viel kleiner als die Genome im Nukleus der Pflanzenzelle. „Daher sind Chloroplasten und Mitochondrien besonders gut für die genomische Manipulation in großem Umfang und mit hoher Präzision geeignet“, erklärt Bock. „Dadurch können wir Ansätze der synthetischen Biologie anwenden, die im Kerngenom aktuell nicht realisierbar sind.“ Das Projekt verfolgte mehrere Ziele. Zunächst wollte Bock einen neuen Stoffwechselweg im Chloroplasten erzeugen, um die Synthese eines Wirkstoffes gegen Malaria namens Artemisinin zu ermöglichen. Außerdem wollte er Methoden entwickeln, um das Genom der Mitochondrien geeigneter für genetische Manipulationen zu machen. „Zuletzt wollten wir die Entdeckung ausbauen, dass ganze Genome zwischen Pflanzenarten durch Pfropfen transplantiert werden können“, sagt Bock. „Die Idee war, mit diesem Verfahren neue künstliche Pflanzenarten zu erzeugen.“
Pflanzen als Fabriken
Das Projekt lief im März 2021 aus und konnte erfolgreich den Artemisininweg in Chloroplasten erzeugen. Bock und sein Team konnten zeigen, dass dieser dringend benötigte Wirkstoff, mit dem tausende Leben gerettet werden könnten, in großen Mengen in Tabakblättern erzeugt werden kann. „Die von uns im Rahmen des Projekts entwickelten Strategien und Instrumente können nun auf andere Stoffwechselwege angewandt werden“, fügt Bock hinzu. Auch bei der genomischen Manipulation in Mitochondrien konnte das Team Fortschritte machen. „Wir müssen noch immer einige technische Hürden überwinden, bevor wir zusätzliche Gene im Genom der Mitochondrien platzieren können“, sagt Bock. Außerdem konnte das Projektteam mehrere künstliche Arten erzeugen und analysiert derzeit deren Genetik, Physiologie und Stoffwechsel. „Wir fanden heraus, dass Pfropfen den Austausch von genetischem Material zwischen verschiedenen Arten fördern kann“, merkt Bock an. „Dadurch entstehen neue Methoden der Pflanzenzucht für die Züchtung neuer Nutzpflanzen mit neuartigen Eigenschaften.“ Alles in allem hat das Projekt GENEVOSYN das Potenzial der synthetischen Biologie zur Stärkung der Ernährungssicherheit aufgezeigt. Auch der Einsatz von Pflanzen für die wirksame Synthese umweltfreundlicher Chemikalien, Biopharmazeutika und anderer nützlicher Verbindungen konnte nachgewiesen werden. Laut Bock ist das erst der Anfang. „Zukünftige Herausforderungen, die man durch synthetische Biologie angehen könnte, sind die Verbesserung der Photosynthese oder die gentechnische Veränderung von Pflanzen, die den Stickstoff in der Luft als Dünger verwerten können“, meint er abschließend.
Schlüsselbegriffe
GENEVOSYN, Landwirtschaft, Chemikalien, Biopharmazeutika, Genetik, synthetisch, Biologie
