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Bakterien mit Pflanzenprotein „veredelt“

Australische Forscher haben es geschafft, Bakterien und Pflanzen zu vereinen. Nach 50 Jahren Vorarbeit ist es ihnen gelungen, Teile von pflanzlichen Chloroplasten in Eschericia coli Bakterien einzubringen. Das soll die Funktion des Proteins Rubisco und damit auch die Photosynthese verbessern.

Geschrieben von:

Kornelia C. Rebel

Medizinisch überprüft von:

Dr. Iris Belfort

Inhaltsüberblick

Langsames Rubisco-Protein soll beschleunigt werden

Ein Team der Australian National University (ANU) in Canberra hat die Möglichkeiten der Bakterien Eschericia coli, Proteine zu falten, entscheidend verändert. Dies gelang, indem die Wissenschaftler den Bakterien mehrere Bestandteile von Chloroplasten aus Pflanzen eingefügt hatten. Bei Chloroplasten handelt es sich um Organellen in Pflanzen und Algen, die Photosynthese betreiben. Sie verleihen ihnen die grüne Farbe.

Diese Experimente wurden im Rahmen von RIPE unternommen. Die Buchstaben stehen für Realizing Increased Photosynthetic Efficiency. Unter der Leitung der US-amerikanischen University of Illinois Urbana-Champaign werden weltweit besonders produktive Nutzpflanzen entwickelt. Ein Fokus dabei ist die Verbesserung der Photosynthese, mit der Pflanzen Sonnenlicht in Energie und Nährstoffe umwandeln. RIPE wird von der Bill & Melinda Gates Foundation, der Foundation for Food & Agriculture Research und dem U.K. Foreign, Commonwealth & Development Office unterstützt.

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Rubisco wichtig für Umwandlung von Kohlendioxid in Zucker

Die aktuelle Studie wurde mit dem Ziel durchgeführt, die Funktion von Rubisco zu verstehen und zu verbessern. Rubisco ist das Protein in pflanzlichen Chloroplasten, das die Fixierung von atmosphärischem Kohlendioxid in Zucker während des Prozesses der Photosynthese anstößt. Experten schätzen, dass es sich bei Rubisco um das mengenmäßig am häufigsten vertretene Protein auf unserem Planeten handelt.

Im Gegensatz zu anderen Proteinen in der Photosynthese arbeitet Rubisco jedoch langsam und benötigt eine Reihe von „Betreuern“, um richtig zu funktionieren. Die meisten dieser Partner wurden bereits identifiziert.

E. coli bewährte Basis für Experimente

Mit Hilfe von Escherichia coli (E. coli) möchten die Wissenschaftler dieses Protein zur Eile antreiben, damit es effizienter arbeitet. Das Bakterium kommt in der Umwelt, in Lebensmitteln und auch im menschlichen Darm vor. Die Wissenschaft nutzt es bereits seit langem als Basis, um Proteine zu untersuchen.

Mit den aktuellen Experimenten demonstrierten die australischen Wissenschaftler, wie nützlich ein robustes, genetisch modulares E. coli-Expressionswerkzeug sein kann. Die Arbeit baut auf einem vergleichbaren Expressionstool auf, das im Labor von Dr. Manajit Hayer-Hartl entwickelt wurde. Dr. Hayer-Hartl arbeitet am Max-Planck-Institut in München.

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Ergebnisse innerhalb von Tagen statt Monaten

„Die Zusammenstellung dieser neuen bakteriellen Bioengineering-Strategie und der Vergleich ihrer Effizienz im Vergleich zu natürlichen Chloroplasten war eine langfristige Herausforderung“, sagte Whitney, Professor an der Research School of Biology der ANU. „Glücklicherweise bietet uns diese neue Technologie jetzt einen beispiellosen experimentellen Durchsatz mit Ergebnissen, die innerhalb von Tagen verfügbar sind, anstatt der Monate, die unser langsamer und kostspieliger traditioneller Testansatz mit Pflanzentransgenen dauern würde.“

Das neue E. coli Rubisco Bioengineering-System benötigt zusätzliche Optimierungen, damit es an verschiedene Pflanzen angepasst werden kann. Professor Whitney ist jedoch zuversichtlich, dass die Forschung einen entscheidenden Wendepunkt darstellt, um die Rubisco-Aktivität stark zu verbessern.

Ein bereits verwendetes Werkzeug zur Optimierung von Proteinen könne damit nun bei Pflanzen angewendet werden. Whitney: „Sobald wir das tun, können wir die gewünschten Änderungen einführen, um Rubisco in Nutzpflanzen durch Gen-Editierung zu beschleunigen. Dann werden wir die Vorteile in der photosynthetischen Leistung und die Auswirkungen auf Pflanzenwachstum und Ertrag sehen.“

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Quelle:

Buck S, Rhodes T, Gionfriddo M, Skinner T, Yuan D, Birch R, Kapralov MV, Whitney SM. Escherichia coli expressing chloroplast chaperones as a proxy to test heterologous Rubisco production in leaves. J Exp Bot. 2023 Jan 11;74(2):664-676. doi: 10.1093/jxb/erac435. PMID: 36322613. (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36322613/)

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