Bahnbrechende Forschung an Mitochondrien

Selektion einer Tabakpflanze mit gentechnische verändertem Chloroplastengenom auf einem Nährmedium, das das Antibiotikum Spectinomycin enthält.
(c) MPI-MP

EU fördert bahnbrechende Forschung an Mitochondrien in Potsdam.

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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Ralph Bock
Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology
Tel. 0331/567 8700
RBock@mpimp-golm.mpg.de

Weitere Informationen:

https://www.mpimp-golm.mpg.de/
https://erc.europa.eu/news-events/news/erc-2023-advanced-grants-results

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Dr. Tobias Lortzing Büro für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie

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