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Forscher nutzen Nanopartikel zur Transformation von Chloroplasten

14.03.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Chloroplasten in einer Blattzelle des Echten Sternmooses (Mnium stellare). (Bildquelle: © Thomas Geier/Wikimedia.org/CC BY-SA 3.0)
Chloroplasten in einer Blattzelle des Echten Sternmooses (Mnium stellare). (Bildquelle: © Thomas Geier/Wikimedia.org/CC BY-SA 3.0)

Die Transformation von Chloroplasten macht Fortschritte. Eine neue Methode setzt auf das Potenzial der Nanotechnologie und hebt sich deutlich von bisherigen Methoden ab.

Der Zellkern ist nicht der einzige Hort für Erbgut in einer Pflanzenzelle. Auch Chloroplasten haben ein Genom. Es besteht aus rund 80 Genen. Die grünen Zellorganellen beherbergen außerdem eigene Ribosomen, die für eine Proteinsynthese an Ort und Stelle sorgen. Diese Eigenschaft macht die Chloroplasten für die Pflanzenforschung und -züchtung interessant. Seit Jahren wächst das Interesse an der Transformation von Chloroplasten, bei der gentechnische Veränderungen nicht im Kerngenom vorgenommen werden, sondern eben in Chloroplasten. Aber das Einschleusen von Genkonstrukten in Chloroplasten gestaltet sich schwierig.

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Aufbau einer Pflanzenzelle mit Chloroplasten (rechts oben) und dem Zellkern (links unten). 

Bildquelle: © Muellercrtp/LadyofHats/Wikimedia.org/Gemeinfrei

Schwächen bisheriger Methoden

Die technische Herausforderung ist, die Konstrukte zielgenau und unbeschadet in die Chloroplasten zu befördern. Das Problem bei den bislang vorhandenen Verfahren ist, dass sie entweder recht grob und unpräzise sind (z. B. Transport via Gen-Kanone oder Mikroinjektion) oder gar toxische Nebenwirkung haben (z. B. viralen Vektoren). Anscheinend gehören diese Sorgen aber nun der Vergangenheit an.

Nano-Transportmittel

Die neue Methode basiert darauf, Genkonstrukte mit Hilfe von Nanopartikeln, sprich Kohlenstoff-Nanoröhren, in Chloroplasten zu transportieren. Die Partikel dienen aber nicht nur als Packesel, sondern schützen die wertvolle Fracht auch vor hungrigen Nukleasen, die sich ihnen in den Weg stellen. In den Chloroplasten angekommen sorgt das saure Milieu dafür, dass sich die elektrostatischen Bindungen lösen, die zuvor das Genkonstrukt wie Spanngurte am Nanopartikel festgehalten hatten.

Um die genetische Fracht an den Kohlenstoff-Nanoröhren zu befestigen, rüsteten die Forscher die Nanopartikel mit positiv geladenen Polyethylenimin-Bausteinen aus. Anschließend mischten sie diese mit den zu transportierenden Genfragmenten in Wasser. Weil DNA eine negative Ladung besitzt, zogen sich beide Komponenten wie zwei Magneten an und waren im Nu transportfähig.

Erste Tests überzeugen

Die Forscher testeten ihr Verfahren gleich an mehreren Pflanzenarten mit Erfolg. An Tabak (Nicothiana benthamina), Baumwolle (Gossypium hirstum) und Weizen (Tricium aestivum). Das Prozedere war jedes Mal gleich: Über eine winzige Einstichstelle auf der Blattunterseite injizierten sie mit einer Pipette 100-200 µl einer flüssigen Lösung mit den Gen-Nanopartikel-Konstrukten. Von dort aus bahnten sich diese dann ihren Weg bis zum Ziel.

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Protoplasten aus den Blättern von Arabidopsis thaliana.

Protoplasten aus den Blättern von Arabidopsis thaliana.

Bildquelle: © Martin von Rüden/Wikimedia.org/CC BY 4.0

Neben erwachsenen Pflanzen testeten die Forscher ihr Verfahren auch an Protoplasten aus Tabak und Garten-Senfrauke (Euruca sativa), besser bekannt als Rucola. Bei Protoplasten handelt es sich um zellwandlose, kultivierte Pflanzenzellen, die durch Behandlung mit speziellen Enzymen entstehen.

Genom-Editierung in Chloroplasten?

Die Methode ist ein Durchbruch für die Transformation von Chloroplasten. Nicht nur wegen der bereits angesprochenen Vorteilen gegenüber den bisherigen Methoden, sondern auch weil das Anwendungsspektrum größer ist. Die Methode funktioniert auch mit erwachsenen Pflanzen. Das ist ein Fortschritt, weil die meisten Versuche zur Transformation von Chloroplasten mit Hilfe von Nanopartikeln bislang vor allem an Protoplasten stattgefunden hatten.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Nanopartikel im Vergleich zu Ti-Plasmiden oder viralen Vektoren größere Genkonstrukte transportieren können, z. B. für Multi-Protein-Komplexe.

Die Entwickler hoffen nun, dass ihre Methode schnell Anklang unter Pflanzenforschern findet. Ein Anwendungsbeispiel wäre zum Beispiel die Chloroplastengenom-Editierung.

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Kommentare

1 15.03.2019
Sven
  Interessanter Beitrag

Ein sehr informativer und interessanter Beitrag. Auch Laien, so wie ich, können dieses komplexe Thema verstehen.

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