Mit Warpantrieb in die Pflanzenzelle

Im Vergleich zu Säugetierzellen gestaltet sich das Einschleusen von Proteinen in lebende Pflanzenzellen in vivo nach wie vor schwierig. Ein Grund ist die für Pflanzen charakteristische Zellwand. Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern hat nun eine neue Methode entwickelt, die auf Plasmatechnologie basiert und den Proteinimport spürbar erleichtert.

Manchmal liegt es nicht an fehlendem Ehrgeiz oder Einfallsreichtum, dass die Dinge nicht so klappen, wie man sich es vorstellt, sondern in der Natur der Sache. Ein Beispiel aus der Pflanzenforschung ist das Einschleusen von Proteinen in die Zellen lebender Pflanzen. Im Grunde stammen alle Hilfsmittel, die Pflanzenforschern zur Auswahl stehen, aus dem Werkzeugkasten von Kollegen, die normalerweise mit Säugetierzellen hantieren. Im Vergleich zu diesen sind Pflanzenzellen im übertragenen Sinne harte Nüsse. Grund ist die Zellwand, die diese komplett umhüllt, ihr Stabilität und Festigkeit verleiht.

Wie knackt man harte Nüsse, ohne sie zu zerstören?

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Seit Jahren suchen Forschende daher nach Methoden, um Eiweiße effektiv auch in Pflanzenzellen einzuschleusen. Einerseits für die Grundlagenforschung, um Genfunktionen besser nachzuweisen, z. B. durch das Einbringen regulatorischer Proteine, die die Aktivität von Genen gezielt verändern. Andererseits für die industrielle Anwendung, um Pflanzenzellen hochwertige Proteine produzieren zu lassen. Mithilfe modernster Plasmatechnologie ist es einem Forschungsteam nun gelungen, endlich eine auf Pflanzenzellen zugeschnittene Methode zu entwickeln.

Schaut man in den angesprochenen Werkzeugkasten, dann findet man dort eine Vielzahl von Methoden, die jeweils einer von drei Kategorien zugeordnet werden: Transfer durch Mikroinjektion, Membranpermeabiliserung oder mithilfe von sogenannten Carriern. Beim Transfer mithilfe von Carriern (übersetzt: Transporter, Beförderer oder Frachter) wird dem eigentlich einzuschleusenden Protein (Cargo) ein weiteres Molekül an die Hand gegeben, das wegen seiner chemischen Struktur Zellmembranen überwinden kann. Dies können u. a. Nanopartikel, Liposomen, virale Vektoren oder zellpenetrierende Peptide (CPP) sein.

Im Jahr 2013 kombinierte ein Forschungsteam Florigen-Proteine mit solch zellpenetrierenden Peptiden. Es mischte die so gewonnenen Proteinkomplexe einem Gel unter und beträufelte damit anschließend die Sprossmeristeme von Reispflanzen. Auf diese Weise schleusten die Forscherinnen und Forscher erstmals Proteine erfolgreich in die Zellen einer lebenden Pflanze ein.

Doppelt hält besser

Im Unterschied zu damals nutzten die Forscher das zellpenetrierende Peptid diesmal jedoch nicht nur zum Einschleusen eines einzigen Proteins, sondern gleich für zwei: ein grün fluoreszierendes Protein (GFP) und ein Enzym, eine Adenylat-Cyclyase (CyaA). Warum genau diese beiden, wird später erklärt. Was bisher nämlich noch gänzlich fehlte, war jeglicher Bezug zur Plasmatechnologie.

Wie erwähnt gibt es neben den carriergestützten Methoden noch den Ansatz der Membranpermeabilisierung. Auch hier stehen heute eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, die gemeinsam haben, winzige Poren in der Zellmembran zu erzeugen, durch die dann die einzuschleusenden Proteine schlüpfen können. Dazu zählen u. a. die Elektroporation, Laserbestrahlung, porenbildende Gifte oder auch Gase. Da Plasma (im physikalischen Sinne) erst einmal nichts anderes ist als ionisiertes Gas, ist es ausgehend von Letzterem gedanklich nur noch ein relativ kleiner Schritt zur Plasmatechnologie.

Kaltes Plasma als Geheimwaffe?

Anfang der 1990er-Jahre war es erstmals möglich, nichtthermales („kaltes“) Plasma zu erzeugen. Dies gelang, indem nur noch einzelne Atome durch zielgerichtetes Zuführen von elektrischer Energie erhitzt wurden. Statt sich auf Tausende Grad aufzuheizen, war es auf einmal möglich, Plasma auf Zimmertemperatur zu erzeugen. Damit öffneten sich schlagartig viele neue Anwendungsbereiche. In der Medizin oder der Nahrungsmittelindustrie wird kaltes Plasma heute u. a. als Bakterienkiller eingesetzt. Grund ist, dass kaltes Plasma die Zellmembran von Bakterien angreift, sie porös macht, sodass die Bakterienzelle kollabiert.

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Folgerichtig fragten sich die Pflanzenforscher, ob es nicht möglich wäre, kaltes Plasma wohldosiert einzusetzen. Nicht um Pflanzenzellen zu zerstören, sondern ihre Zellmembran vorrübergehend durchlässig zu machen. Wie anschließende Versuche zeigten, sollten sich hierfür vor allem Kohlendioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂) als Basis anbieten. Ähnlich wie im Jahr 2013 bestrichen die Forscher ihre Versuchsobjekte mit einem Gel, das die einzuschleusenden Proteine enthielt. Diesmal konzentrierten sie sich jedoch nicht auf die Sprossmeristeme von Reispflanzen, sondern auf die Blätter von Arabidopsis thaliana, Tabak (Nicotiana tabacum) und Reis. Bevor sie das Gel für 24 Stunden einwirken ließen, bestrahlten sie die betreffenden Pflanzenteile zunächst einmal für 30 Sekunden mit kaltem Plasma.

Paketverfolgung auf der Zellebene

Einen Tag später begannen die Blätter, grün zu fluoreszieren. Das Einschleusen des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) als Marker war also geglückt. Auch auf der Stoffwechselebene waren Veränderungen sichtbar, das Enzym, die Adenylat-Cyclase, in den Blattzellen aktiv. Da dieses die Produktion von cyclischem Adenosinmonophosphat (cAMP) bekanntlich beschleunigt, nutzten die Forscher die cAMP-Konzentration als Maßstab für den Gehalt der Adenylat-Cyclase in der Zelle. Dass das Erstere deutlich erhöht war, werteten sie nicht nur als Erfolg für den geglückten Import, sondern auch für den Erhalt der Funktionalität des Enzyms.

Angespornt vom Erfolg gingen die Forscher einen Schritt weiter und testeten das Verfahren erneut mit beiden Proteinen (GFP und CyaA), diesmal aber ohne das zellpenetrierende Peptid als Speerspitze. Am Ende zeigten die Ergebnisse kaum Unterschiede zu vorher, was bedeutete, dass die Forschenden auf eine neue Methode für den Transfer von Proteinen in Pflanzenzellen gestoßen waren.

Nun hoffen die Entwickler, dass diese Methode ihren Kolleginnen und Kollegen – von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung – die lang ersehnte Erleichterung liefern wird, um Proteine in lebende Pflanzenzellen einzuschleusen. Sollte ihr Plan aufgehen, dann dürfte der Pflanzenforschung ähnlich den einzuschleusenden Proteinen bald ein energiereicher Schub bevorstehen.