Prof. Dr. Ralph Bock am Max-Planck-Institut für Molekulare
Pflanzenphysiologie in Potsdam erhält einen Advanced Grant des European
Research Council (ERC) über 2,5 Mio € zur Entwicklung bahnbrechender
molekulargenetischer Forschungsmethoden. Das Forschungsprojekt „PlaMitEng“
soll es erstmals ermöglichen, gezielt gentechnische Veränderungen im Genom
von Mitochondrien durchzuführen.
Pflanzen haben drei Genome
Die Entwicklung der modernen Gentechnik revolutionierte die biologische
Forschung und eröffnete insbesondere in der Pflanzenforschung und
Pflanzenzüchtung bis dahin ungeahnte Möglichkeiten. Die grundlegenden
Techniken der molekularbiologischen Forschung sind so fundamental, dass
sie längst in Schulbüchern angekommen sind. Aber es gibt noch immer
ungelöste Herausforderungen in der Molekularbiologie. Einer dieser
Herausforderungen widmet sich jetzt die Forschungsgruppe um Ralph Bock am
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam in ihrem
Projekt PlaMitEng (Plant Mitochondrial Engineering), welches aktuell mit
einem ERC Advanced Grant in Höhe von 2,5 Millionen € von der Europäischen
Union gefördert wird.
Gentechnische Arbeit an Pflanzen ist kompliziert. Wenn man genau
hinschaut, haben Pflanzen nicht nur ein Genom, sondern gleich drei!
Der Großteil der pflanzlichen Gene liegt im Zellkern. Doch zusätzlich
besitzen Pflanzenzellen noch weitere Bestandteile (Organellen) mit einem
eigenen Genom, hierzu gehören Chloroplasten und Mitochondrien.
Chloroplasten fangen Energie aus dem Sonnenlicht ein und speichern sie
mithilfe der Photosynthese als Zucker. In den Mitochondrien
verstoffwechseln die Pflanzenzellen diesen Zucker wieder und nutzen die
Energie für Wachstum und Fortpflanzung.
Da Chloroplasten und Mitochondrien von Bakterien abstammen, die vor mehr
als einer Milliarde Jahren vom Vorläufer der Pflanzenzelle eingefangen
wurden, um fortan als Lebensgemeinschaft zu funktionieren, tragen beide
Organellen noch ihre eigene Erbinformation und vermehren sich innerhalb
der Pflanzenzellen durch Teilung. Als Umschlagorte für Energie sind
Chloroplasten und Mitochondrien essenziell für Stoffwechsel und Wachstum
der Pflanzen.
Mitochondrien sind noch nicht gezielt genetisch veränderbar
Ausgerechnet diese Organellen sind aber für gentechnische Forschung
besonders schwer zugänglich. Gezielte Veränderungen mithilfe der Genschere
CRISPR sind in Organellen nicht möglich, da die Schere im Zellkern
produziert werden muss und nicht alle ihre Teile den Weg in die Organellen
finden. Erschwerend kommt hinzu, dass sogenannte Selektionsmarker für
Organellen sehr schwierig zu entwickeln sind. In molekularbiologischen
Experimenten werden meist hunderttausende oder Millionen von Zellen
eingesetzt. Selektionsmarker erlauben es, die wenigen erfolgreich
genetisch veränderten Zellen vom Großteil der Zellen zu unterscheiden, die
nicht erfolgreich verändert wurden. Üblicherweise sind Selektionsmarker
Gene, die Resistenz gegen ein Antibiotikum vermitteln. Werden die
Pflanzenzellen im Experiment diesem Antibiotikum ausgesetzt, überleben nur
die erfolgreich veränderten Zellen, welche den Selektionsmarker tragen.
Der Rest wird "ausselektiert". Fast die gesamte molekulargenetische
Forschung an Chloroplasten wurde durch die Entdeckung eines einzigen
Selektionsmarkers in den 1990er Jahren ermöglicht, der den veränderten
Chloroplasten Resistenz gegen das Antibiotikum Spectinomycin verleiht.
Dieses Gen ermöglichte es, gezielt Zellen zu isolieren, die genetische
Veränderungen in ihrem Chloroplastengenom tragen. Die Entdeckung dieses
Markers war u.a. maßgeblich dafür, dass wir heute viel besser verstehen,
wie der für unser Überleben wichtigste Stoffwechselprozess auf der Erde,
die Photosynthese, funktioniert.
Neue Methode wird neue Forschungsfelder eröffnen
Für Mitochondrien konnte trotz mehr als 30 Jahren intensiver Forschung
bisher kein solcher Selektionsmarker gefunden werden. Daher gibt die
Funktionsweise des Mitochondriengenoms auch heute noch viele Rätsel auf.
Die Forschungsgruppe um Ralph Bock hat sich nun vorgenommen, diesem Rätsel
auf den Grund zu gehen. Das ERC-Projekt PlaMitEng wird neue Methoden
entwickeln, um gezielt Veränderungen an Genen in den Mitochondrien
vornehmen zu können, ähnlich wie die Genschere CRISPR dies im Zellkern
erlaubt. Es sollen Selektionssysteme entwickelt werden, die es erlauben,
Pflanzenzellen mit veränderten Mitochondrien von solchen mit veränderten
Chloroplasten oder Zellkernen zu unterscheiden. „Die Möglichkeit,
pflanzliche Mitochondriengenome zu verändern, wird sowohl in der
Grundlagenforschung als auch in der angewandten Forschung völlig neue
Möglichkeiten eröffnen. Mitochondrien und ihre Genome bieten auch ein
einzigartiges Potenzial für Biotechnologie und synthetische Biologie, und
dieses Potenzial ließe sich dann endlich umfassend nutzen,“ so Ralph Bock,
der Leiter des Forschungsprojekts.
Advanced Grants des European Research Council (ERC) gehören zu den
prestigeträchtigsten und kompetitivsten Förderprogrammen der EU. Gefördert
werden führende Spitzenforscher mit ambitionierten Projekten, die zu
großen wissenschaftlichen Durchbrüchen führen können. In dieser
Förderperiode wurden insgesamt 652 Millionen € an ERC Advanced Grants an
Forschende vergeben. Die Erfolgsrate bei der Antragstellung lag bei 13,9%.
Ralph Bock ist Direktor am Max-Planck-Institut für Molekulare
Pflanzenphysiologie in Potsdam Golm. Er leitet die Abteilung
„Organellenbiologie, Biotechnologie und molekulare Ökophysiologie“, welche
sich insbesondere mit Stoffwechselprozessen in Mitochondrien und
Chloroplasten und den Wechselwirkungen der Erbsubstanz in den Organellen
mit dem Zellkern beschäftigt. Er gehört zu den weltweit führenden
Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Organellenforschung und ist u.a.
Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften (Leopoldina) in
Deutschland und der National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten
von Amerika.