Binden und blockieren

Sind Peptid-Aptamere ein „revolutionäres“ Werkzeug für die Pflanzenbiotechnologie?

09.05.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Aptamere können Tomatenpflanzen eine Resistenz gegenüber Viren vermitteln. (Bildquelle: © iStock.com/Fonrimso)
Aptamere können Tomatenpflanzen eine Resistenz gegenüber Viren vermitteln. (Bildquelle: © iStock.com/Fonrimso)

Aptamere sind künstlich hergestellte kleine Moleküle aus Nukleinsäuren oder Peptiden, die sehr spezifisch an Zielsequenzen binden. Peptid-Aptamere können als Werkzeug für die Funktionsaufklärung pflanzeneigener Proteine zum Einsatz kommen oder Pflanzen resistent gegen Krankheiten machen. Nimmt die Aptamer-Forschung dazu jetzt Fahrt auf?

Geminiviridae sind eine gefürchtete Familie von einzelsträngigen DNA-Viren. Sie können unterschiedlichste Pflanzen wie Bohnen, Mais, Baumwolle oder Tomaten infizieren und zu hohen Ernteverlusten führen. Deshalb suchen Wissenschaftler nach Wegen, um Pflanzen gegen Geminiviren resistent zu machen. Problematisch ist dabei die hohe Mutationsrate der Viren, dank derer sie sich schnell an neue Wirte und Umweltbedingungen anpassen.

Linda Hanley-Bowdoin von der North Carolina State University in den USA ist es jedoch gelungen, Tabak- und Tomatenpflanzen gegen zahlreichen unterschiedliche Geminiviren resistent zu machen. Sie und ihr Team synthetisierten dazu Peptide, die an das virale Replikationsprotein Rep binden und es dadurch an der Arbeit hindern.

Ein Gerüst stabilisiert die Sequenz

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Geminiviridae sind eine gefürchtete Familie von einzelsträngigen DNA-Viren. Sie können unterschiedlichste Pflanzen wie Mais, Baumwolle oder - wie hier abgebildet - Tomaten infizieren.

Geminiviridae sind eine gefürchtete Familie von einzelsträngigen DNA-Viren. Sie können unterschiedlichste Pflanzen wie Mais, Baumwolle oder - wie hier abgebildet - Tomaten infizieren.

Bildquelle: © Miyuki Satake / Fotolia.com

Aptamere werden solche künstlich hergestellten Peptide auch genannt, die sehr fest an spezifische Zielsequenzen binden können. Sie bestehen aus einer kurzen Kette von Aminosäuren, die in ein größeres Proteingerüst eingebaut ist. Das Gerüst festigt die Konformation und erhöht dadurch die Bindungsspezifität.

„Der größte Vorteil ist, dass die Aptamer-Technologie nicht auf dem Virusgenom basiert“, sagt Hanley-Bowdoin. „Stattdessen greifen wir damit eine hochkonservierte Funktion der viralen Replikationsmaschinerie an.“ Selbst wenn das Genom des Virus mutiert, wirken die Aptamere noch. Entscheidend ist ausschließlich die Aminosäuresequenz des Zielproteins. Und die ändert sich bei überlebenswichtigen Proteinen, wenn überhaupt, nur sehr langsam.

Vorteil: keine Umwege mehr

In einigen Disziplinen, wie beispielsweise bei der medizinischen Diagnostik, sind Aptamere schon recht verbreitet. In den Pflanzenwissenschaften fristet die Methode bisher noch ein Schattendasein. In einem Aufsatz im Fachjournal „Trends in Plant Science“ schreiben Zhenzhen Hao und Kollegen aus China, dass sich dies bald ändern könnte. Denn Peptid-Aptamere bieten die Möglichkeit, direkt auf Proteinebene in den Stoffwechsel einzugreifen. Umwege über die DNA (CRISPR) oder RNA (RNA-Interferenz) entfallen.

Davon könne auch die Grundlagenforschung profitieren. Wissenschaftler von der Universität Florida haben kürzlich erst Peptide von einer Länge zwischen sechs und zwölf Aminosäuren in 2.000 Arabidopsis thaliana-Pflanzen exprimiert. Danach verglichen sie die Phänotypen der Pflanzen. Sie fanden dutzende interessante Unterschiede zum Beispiel im Bereich der Photosynthese oder Blütenentwicklung. Daraus lässt sich ableiten, dass die kurzen Peptide teilweise sehr gezielt in diese Stoffwechselvorgänge eingreifen.

Ein sinnvolles Tool für Grundlagenforscher?

Jetzt untersuchen die Wissenschaftler, wie genau die Peptide den pflanzlichen Stoffwechsel regulieren. Am Ende, so hoffen sie, lassen sich durch diesen Ansatz neue Wachstumsregulatoren, Herbizide oder Verteidigungsmoleküle finden.

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Das Einbringen der Aptamere in die Pflanzen ist nicht ganz einfach. Bisher erfolgt dies meist über Gentransformation. Alternativ können Aptamere direkt über das Gießwasser von den Pflanzen aufgenommen werden.

Das Einbringen der Aptamere in die Pflanzen ist nicht ganz einfach. Bisher erfolgt dies meist über Gentransformation. Alternativ können Aptamere direkt über das Gießwasser von den Pflanzen aufgenommen werden.

Bildquelle: © pixabay/CC0

Das charmante an diesem Ansatz ist, dass die Aptamere nicht in einem aufwändigen Selektionsprozess hergestellt werden mussten. Stattdessen zeigt sich erst im Experiment selbst, welches der wahllos generierten Peptide aufgrund seiner Sequenz das Zeug zum Aptamer hat. Also welches Peptid spezifisch an pflanzeneigene Proteine oder Genabschnitte binden und ihre Funktion verändern kann. 

Methoden müssen noch optimiert werden

Denn bis man mit Hilfe von Hefe-Zwei-Hybrid-Systemen oder Phagen ein Peptid identifiziert hat, das wirklich spezifisch an eine Zielsequenz bindet und dort auch den gewünschten Effekt verursacht, dauert es eine ganze Weile.

Auch das Einbringen der Aptamere in die Pflanzen könnte einfacher sein. Bisher erfolgt dies meist über Gentransformation. Alternativ können Aptamere direkt über das Gießwasser von den Pflanzen aufgenommen werden. Koppelt man sie an zellpenetrierende Peptide, so kann man die oberirdischen Pflanzenteile auch mit einer Aptamerlösung besprühen. Doch die Erfolgsrate dieser Methoden ist noch gering.

Trotz der Aufbruchstimmung, die Zhenzhen Hao in seinem Aufsatz verbreitet, lässt sich feststellen: Die Forschung an Peptid-Aptameren ist noch ein Nischenthema. Um es dort herauszuholen, bedarf es wohl vor allem noch Verbesserungen an den Methoden. „Wenn mehr Labore an Aptameren forschen, dann könnte ich mir vorstellen, dass Wissenschaftler die aufwändige Peptidherstellung an spezialisierte Firmen auslagern und nur noch die Tests in den Pflanzen selbst durchführen“, meint Hanley-Bowdoin.

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