Programmierbare Präzision: Eiweiße aus Pflanzenerregern begeistern die Biotech-Branche

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.