Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Programmierbare Präzision: Eiweiße aus Pflanzenerregern begeistern die Biotech-Branche

14.06.2011
Xanthomonas-Bakterien - die Krankheitserreger wichtiger Kulturpflanzen - manipulieren auf gezielte Weise ihre Wirtszellen. Wissenschaftler haben jetzt eine neue Technik entwickelt, mit der sich die virulenten Faktoren der Bakterien umprogrammieren und möglicherweise in der Humantherapie einsetzen lassen.

Bakterielle Krankheitserreger sind nicht nur als unsichtbare Auslöser von Nahrungsmittelvergiftungen und ansteckenden Krankheiten gefürchtet. Sie infizieren auch Pflanzen und führen damit jedes Jahr weltweit zu erheblichen Ernteausfällen. Xanthomonas-Bakterien sind solche Erreger, die Reis, Weizen, Zitrusfrüchte und viele andere Kulturpflanzen befallen. Geschwärzte oder faule Blätter und Stängel sind einige typische Symptome, wenn die Bakterien die Leitungsbahnen der Pflanzen verstopfen oder Zellen absterben lassen.

Dabei nutzt Xanthomonas eine besonders elegante Strategie, um Wirtszellen zu infizieren und zu steuern. Mit Hilfe seiner Zellmembran formt es eine Art natürliche Nadel und spritzt Eiweiße direkt in die Wirtszellen. Dieses Sekretionssystem hat es mit dem EHEC-Erreger und Salmonellen gemein, die damit Menschen und Tiere infizieren. Gelangen die injizierten Eiweiße in den Zellkern, docken sie an spezielle Gene im Erbgut der Pflanze an und aktivieren diese. Das Bakterium bringt die Pflanze so dazu, es mit Nährstoffen zu versorgen und beispielsweise Zuckermoleküle in die Bakterienzelle zu transportieren. Die Genauigkeit, mit der diese Eiweiße nur an bestimmte Gene binden fasziniert Wissenschaftler und Biotechnologen, denn mit solchen Instrumenten ließen sich auch Gene zu therapeutischen Zwecken gezielt manipulieren.

Mit der Entwicklung einer neuen Gentechnik sind Biologen der Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg (MLU) dieser Vision einen Schritt näher gekommen. Die Abteilung Pflanzengenetik am Institut für Biologie der MLU forscht seit über 13 Jahren unter der Leitung Ulla Bonas an den Wechselwirkungen zwischen Xanthomonas und seinen Wirtspflanzen. Die Pflanzenforscherin wurde gerade mit dem Leibniz-Preis ausgezeichnet- unter anderem für die Entdeckung der gensteuernden Xanthomonas-Eiweiße, die mittlerweile als TAL-Effektoren bekannt sind.

TALE („transcription activator–like effectors“) ermöglicht eine exakt programmierbare DNA-Spezifität. Das System funktioniert als spezifischer Genschalter in Pflanzen wie auch im Menschen. Die Genauigkeit, mit der diese programmierten Eiweiße nur an bestimmte Gene binden, eröffnet vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Von einer gezielten Veränderung des Pflanzengenoms bis hin zur medizinischen Forschung und der Entwicklung von neuen Therapeutika reichen die Anwendungspotenziale von TALE.
(Quelle: © Jens Boch / Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)
Auch Jens Boch forscht bereits seit 1999 als Arbeitsgruppenleiter des Institutes an Xanthomonas-Effektoren. Zusammen mit Bonas konnte er erstmalig nachweisen, wie unterschiedliche TAL-Effektoren bestimmte Gene erkennen und aktivieren. Die ungefähr 100 bekannten Varianten von TAL-Effektoren unterscheiden sich demnach in der Anzahl und Abfolge bestimmter DNA-Bindungsmodule. Wie in einem Reißverschlussprinzip passt dabei eine Serie von Modulen immer genau zu einer entsprechenden DNA-Bausteinabfolge. „Als wir 2009 zeigen konnten, dass sich die Zielgene von TAL-Effektoren anhand dieser Module exakt vorhersagen lassen, konnte man es zunächst gar nicht glauben“, erinnert sich Boch. Dabei sind TAL-Effektoren nicht die einzigen bekannten Eiweiße, die Gene spezifisch erkennen können. Viele Eiweiße von Menschen, Tieren und Pflanzen enthalten sogenannte Zinkfinger-Module, mit denen sie ebenfalls gezielt an Gene binden und diese ein- oder ausschalten. Solche Eiweiße waren bisher die Hoffnungsträger der Biotechnologie, denn mit ihnen war es bereits gelungen, Krebsgene in Mäusezellen zu blockieren. Allerdings ist ihre Konstruktion bisher noch zeitaufwendig und teuer. Auch lässt sich im Vorfeld keine hundertprozentige Prognose machen, ob das synthetische Produkt ausschließlich an der geplanten Stelle im Erbgut bindet.

Boch ist zuversichtlich, dass TAL-Effektoren, solche Nachteile ausgleichen können. In Zusammenarbeit mit Sven-Erik Behrens vom Institut für Biotechnologie und Biochemie der MLU hat seine Arbeitsgruppe eine Methode entwickelt, mit der sich TAL-Effektoren schnell und einfach zusammenbauen und so auf die Bindung an bestimmte Gene programmieren lassen. „Es funktioniert wie ein Baukastenprinzip, mit dem wir die Anzahl und Art der DNA-Bindungsmodule in unterschiedlicher Weise kombinieren können“, erklärt Boch. Mit einem Trick gelang den Forschern zudem ein weiterer Durchbruch. Indem sie eine Aktivierungsdomäne des menschlichen Herpes-Virus einbauten, funktionierten die umprogrammierten Effektoren auch in menschlichen Zellen und schalteten dort gezielt Gene des Immunsystems an.

Die Programmierbarkeit von TAL-Effektoren ist für Biotechnologen eine Sensation. Nach der Veröffentlichung der Studie erhielt Boch gleich mehrere Anrufe, darunter auch von interessierten Firmen aus der Biotech-Branche. „Die Möglichkeiten solche modulierten TAL-Effektoren zu nutzen sind unglaublich vielfältig“, so Boch. „Mit ihnen lassen sich bestimmte Gene gezielt aktivieren oder blocken. Kombiniert mit beispielsweise DNA-spaltenden Enzymen, können defekte Gene ausgetauscht oder korrigiert werden. Außerdem ist der Xanthomonas-Erreger für den Menschen völlig ungefährlich.“ So hat die französische Firma Cellectis in diesem Jahr bereits den ersten synthetischen TAL-Effektor auf den Markt gebracht, mit dem sich das Erbgut wie mit einer Schere an einem bestimmten Genort schneiden lässt.

Mittlerweile besitzt Bochs Labor eine umfassende TAL-Modul-Bibliothek, mit der sich Serien von Effektor-Modulen in unterschiedlichen Kombinationen herstellen lassen. „Unsere Methode ist so optimiert, dass ein Student innerhalb weniger Tage seinen gewünschten TAL-Effektor auf ein bestimmtes Zielgen programmieren kann. Für die Produktion eines Effektors mit Zinkfinger-Modulen benötigt man momentan noch mehrere Wochen.“

Jens Boch freut sich jetzt auf die weitere Zusammenarbeit mit Sven-Erik Behrens. In zukünftigen Experimenten wollen die Forscher beispielsweise aufklären, warum sich in ihrer Studie manche menschlichen Gene stärker mit TAL-Effektoren aktivieren ließen als andere. Darüber hinaus planen Boch und seine Forschungspartner zukünftig eng mit der Biotechnologie-Branche zusammenzuarbeiten, um das therapeutische Potential von TAL-Effektoren auszuschöpfen. „Ich finde es wirklich spannend, dass ausgerechnet Effektoren aus einem pflanzenpathogenen Organismus zur Anwendung in der Humantherapie entwickelt werden“.

Quelle:
R. Geissler et al. (2011) Transcriptional Activators of Human Genes with Programmable DNA-Specificity. PLoS ONE 6(5): e19509. doi:10.1371/journal.pone.0019509.

Zum Weiterlesen:
J. Boch (2011) TALEs of genome targeting”; Nature Biotechnology 29, 135–136 doi:10.1038/nbt.1767.

T. E. B. Stradal & S. Backert (2010) Wirt-Pathogen-Interaktion: Wie EHEC das Aktinzytoskelett der Wirtszelle beeinflussen“; BIOspektrum.

| Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/journal/reportagen/programmierbare-praezision-eiweisse-aus-pflanzenerregern-begeistern-die-biotech-b?pa

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pfade ausleuchten im Fischgehirn
24.07.2017 | Max-Planck-Institut für Neurobiologie

nachricht Netzwerke statt Selbstversorgung: Wiesenorchideen überraschen Bayreuther Forscher
24.07.2017 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu Sprachdialogsystemen und Mensch-Maschine-Kommunikation in Saarbrücken

24.07.2017 | Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Power-to-Liquid: 200 Liter Sprit aus Solarstrom und dem Kohlenstoffdioxid der Umgebungsluft

24.07.2017 | Energie und Elektrotechnik

Innovationsindikator 2017: Deutschland auf Platz vier von 35, bei der Digitalisierung nur Rang 17

24.07.2017 | Studien Analysen

Netzwerke statt Selbstversorgung: Wiesenorchideen überraschen Bayreuther Forscher

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie