Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lachsfarbener Tabak - Wie Pflanzen zu Biofabriken umgebaut werden können

01.12.2017

Pflanzen produzieren unzählige Inhaltsstoffe mit ganz unterschiedlichen Aufgaben und Wirkungen - auch für Menschen und Tiere. Die Gewinnung dieser Stoffe aus ihren natürlichen Produzenten in ausreichender Menge, stellt häufig eine Herausforderung dar. In der Vergangenheit hat dies dazu geführt, dass die meisten Stoffe energieaufwändig im chemischen Labor hergestellt wurden. Mittlerweile können sehr viele Stoffe in Bakterien produziert werden. Wie wäre es, die Stoffe direkt in Pflanzen herzustellen, wo die meisten sowieso ihren Ursprung haben? Mit dieser Frage beschäftigen sich Forscher*innen rund um Prof. Ralph Bock am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm.

Die Arbeitsgruppe wählte für ihre Forschungen den natürlich in Plankton und Mikroalgen vorkommenden Farbstoff Astaxanthin. Der Farbstoff wirkt als Sonnenschutzfaktor gegen UV-Strahlen und schützt darüber hinaus sehr effektiv Zellen vor Stress und Krankheiten, indem er die Oxidation von Substanzen verlangsamt oder sogar vollständig verhindert. Krebse enthalten ebenfalls diesen zur großen Gruppe der Carotinoide gehörenden orangen Farbstoff, da sie ihn über die Nahrung aufnehmen.


Oben: Herkömmlicher Baumtabak; Unten: Lachsfarnbener Baumtabak mit neu-integriertem Stoffwechsel zur Astaxathin-Produktion.

Prof. Dr. Ralph Bock, MPI-MP

Fische wie Lachse und Forellen nutzen Astaxanthin gegen oxidativen Stress, dem sie aufgrund ihrer langen Reisen von den Nahrungsgründen zurück an ihren Geburtsort, an dem sie laichen, ausgesetzt sind. Durch die Einlagerung von Astaxanthin, das sie über die Nahrung aufnehmen und das ihr Fleisch auf natürliche Weise rötlich färbt, schützen sie vermutlich ihre Zellen, Muskeln und Gewebe.

In den Lachs- oder Forellenfarmen, wo die Fische für den Handel gezüchtet werden, um die natürlichen Fischvorkommen zu schonen, haben sie nicht die Möglichkeit sich von Krebsen oder Mikroalgen zu ernähren, die das wichtige Astaxanthin enthalten. Sie benötigen hier den Farbstoff allerdings auch nicht unbedingt, da der Stress der langen Wanderung entfällt.

Ohne astaxanthinhaltiges Futter bleiben die Fische weiß bis grau und zeigen nicht die bekannte rötliche Färbung. Deshalb ist der Farbstoff ein begehrter Futtermittelzusatzstoff in der Fischzucht. Er wird aus Krebstieren oder Mikroalgen gewonnen.

Dieser Prozess birgt allerdings große Nachteile. Astaxanthin liegt in nur geringen Konzentrationen in diesen maritimen Lebewesen vor, so dass die Isolationsprozesse aufwendig und teuer sind. Weiterhin fallen nicht verwertbare Abfallstoffe an, welche ökologisch und ökonomisch ein Problem darstellen.

Die Gewinnung des wertvollen Farbstoffs aus Pflanzen würde entscheidende Vorteile bringen und könnte auch seine Produktionskosten beträchtlich verringern. Aus diesem Grund wird bereits seit langer Zeit daran geforscht, wie man den natürlichen Stoffwechselweg mit Hilfe von gentechnischen Methoden so in Pflanzen einfügen kann, dass sie Astaxanthin produzieren.

Dafür die Chloroplasten-DNA in Pflanzenzellen zu nutzen ist clever, denn von diesen Organellen gibt es in jeder grünen Pflanzenzelle sehr viele, im Vergleich zum nur einmal vorhandenen Zellkern. Die nun vielfach eingebrachte Information ermöglicht eine hohe Produktionsrate des orangen Farbstoffs in der Pflanze. Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Biosicherheit, denn die Chloroplasten der väterlichen Pflanze werden im Pollen abgebaut. Das bedeutet, dass gentechnisch veränderte Chloroplasten nicht durch den Pollen verbreitet werden können.

Der Forschungsgruppe um Prof. Dr. Ralph Bock ist es nun gelungen, den fremden Stoffwechselweg in Tabakpflanzen zu integrieren. Dazu mussten die Gene des Astaxanthin-Stoffwechselweges in das Chloroplastengenom der Modellpflanze eingeführt werden. Wie der Lachs zeigt nun auch die Tabakpflanze eine charakteristische orange Färbung durch die Produktion des Farbstoffs in den Chloroplasten. Entstanden ist ein lachsfarbener Tabak.

Die Möglichkeit, den begehrten Farbstoff in höheren Pflanzen zu produzieren, ist ein beachtliches Ergebnis. Allerdings handelt es sich bei Tabak um eine sehr giftige Pflanze, denn Nikotin ist eines der stärksten in der Natur vorkommenden Gifte. Deshalb war es wünschenswert, das Astaxanthin in einer nikotin-freien Pflanze zu produzieren. Die Wahl fiel auf einen nahen Verwandten, den Baumtabak.

Dieser enthält kein Nikotin und ist sogar eine mehrjährige Pflanze. Deshalb kann die Pflanze einmal ausgepflanzt über mehrere Jahre genutzt werden. Jedoch konnten bisher die Chloroplasten des Baumtabaks nicht transformiert, also mit neuen Genen ausgestattet werden. Die Forscher suchten deshalb nach einem Weg den gewünschten Farbstoff in der für sie optimalen Pflanzenart zu produzieren.

„Bereits in früheren Experimenten hatten wir herausgefunden, dass die DNA von Chloroplasten über Pfropfungsstellen von einer Art auf eine andere übertragen werden kann“, erklärt Ralph Bock. Dieses Phänomen, welches in der Natur auch ohne menschliches Zutun vorkommt, nennt man horizontalen Gentransfer.

Es bietet eine faszinierende Möglichkeit, um bisher nicht-transformierbare Pflanzenarten mit fremden Genen zu versehen. Nach der erfolgreichen Pfropfung von Tabaksprossen auf Baumtabakpflanzen wurden aus den Pfropfungsstellen neue vollständige Pflanzen mit Hilfe der Gewebekultur erzeugt. So konnten aus einzelnen Baumtabakzellen, welche die neue Chloroplasten-DNA aus dem Tabak erhalten hatten, wieder ganze Pflanzen mit den gewünschten neuen Eigenschaften gewonnen werden.

Dieses Experiment zeigt deutlich, dass allein durch einen horizontalen Austausch von Chloroplastengenen die Einführung von fremden Genen in nicht-transformierbare Arten möglich ist. Zukünftig kann diese sehr einfache Transformationstechnik auch für andere wichtige, jedoch bisher nicht transformierbare Pflanzenarten genutzt werden.

Kontakt
Prof. Ralph Bock
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel. 0331/567 8700
RBock@mpimp-golm.mpg.de

Dr. Ulrike Glaubitz
Referentin für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel. 0331/567 8275
glaubitz@mpimp-golm.mpg.de
http://www.mpimp-golm.mpg.de

Originalveröffentlichungen
Stegemann, S., and Bock, R. (2009). Exchange of genetic material between cells in plant
tissue grafts. Science 324, 649-651

Lu, Y., Stegemann, S., Agrawal, S., Karcher, D., Ruf, S., Bock, R. (2017). Horizontal Transfer of a Synthetic Metabolic Pathway between Plant Species. Current Biology , Volume 27 , Issue 19 , 3034 - 3041.e3

Weitere Informationen:

http://www.mpimp-golm.mpg.de/2179924/lachsfarbener-tabak

Dr. Ulrike Glaubitz | Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sich vermehren oder sich nicht vermehren
22.03.2019 | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

nachricht Ketten aus Stickstoff direkt erzeugt
22.03.2019 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Die Zähmung der Lichtschraube

Wissenschaftler vom DESY und MPSD erzeugen in Festkörpern hohe-Harmonische Lichtpulse mit geregeltem Polarisationszustand, indem sie sich die Kristallsymmetrie und attosekundenschnelle Elektronendynamik zunutze machen. Die neu etablierte Technik könnte faszinierende Anwendungen in der ultraschnellen Petahertz-Elektronik und in spektroskopischen Untersuchungen neuartiger Quantenmaterialien finden.

Der nichtlineare Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) in Gasen ist einer der Grundsteine der Attosekundenwissenschaft (eine Attosekunde ist ein...

Im Focus: The taming of the light screw

DESY and MPSD scientists create high-order harmonics from solids with controlled polarization states, taking advantage of both crystal symmetry and attosecond electronic dynamics. The newly demonstrated technique might find intriguing applications in petahertz electronics and for spectroscopic studies of novel quantum materials.

The nonlinear process of high-order harmonic generation (HHG) in gases is one of the cornerstones of attosecond science (an attosecond is a billionth of a...

Im Focus: Magnetische Mikroboote

Nano- und Mikrotechnologie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben mit einer neu entwickelten Methode magnetische Mikropartikel hergestellt, die den Weg für den Bau von Mikromotoren oder die Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper, wie z.B. zu einem Tumor, ebnen könnten. Die Herstellung solcher Strukturen sowie deren Bewegung kann einfach durch Magnetfelder gesteuert werden und findet daher Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen.

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie dieses Material auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes reagiert. Eisenoxid ist der...

Im Focus: Magnetic micro-boats

Nano- and microtechnology are promising candidates not only for medical applications such as drug delivery but also for the creation of little robots or flexible integrated sensors. Scientists from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) have created magnetic microparticles, with a newly developed method, that could pave the way for building micro-motors or guiding drugs in the human body to a target, like a tumor. The preparation of such structures as well as their remote-control can be regulated using magnetic fields and therefore can find application in an array of domains.

The magnetic properties of a material control how this material responds to the presence of a magnetic field. Iron oxide is the main component of rust but also...

Im Focus: Goldkugel im goldenen Käfig

„Goldenes Fulleren“: Liganden-geschützter Nanocluster aus 32 Goldatomen

Forschern ist es gelungen, eine winzige Struktur aus 32 Goldatomen zu synthetisieren. Dieser Nanocluster hat einen Kern aus 12 Goldatomen, der von einer Schale...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größte nationale Tagung 2019 für Nuklearmedizin in Bremen

21.03.2019 | Veranstaltungen

6. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztage vom 25. bis 26.3. 2019

21.03.2019 | Veranstaltungen

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zähmung der Lichtschraube

22.03.2019 | Physik Astronomie

Saarbrücker Forscher erleichtern durch Open Source-Software den Durchblick bei Massen-Sensordaten

22.03.2019 | HANNOVER MESSE

Ketten aus Stickstoff direkt erzeugt

22.03.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics