Entwicklung der pflanzlichen Proteinumsatzrate zur Erhöhung der Biomasse

• Antragstellerin: Dr. Ulschan Bathe
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455236359

Um die Ernährung der Weltbevölkerung sicher zu stellen, muss die Produktion der wichtigsten Kulturpflanzen drastisch erhöht werden. Konventionelle Züchtung wird allerdings nicht ausreichen um dieses Ziel zu erreichen. "Metabolic engineering" ist eine neue Methode um den Kohlenstoff(C)-verlust durch Senkung von Respiration (Resp.) zu reduzieren. Dadurch wird C gespart, der in den Aufbau von Biomasse umgeleitet werden kann. 60% des durch Photosynthese fixierten C in Kulturpflanzen geht durch Resp. verloren. Resp. zum Wachstum und zur Erhaltung machen je 50% aus. Das bedeutet, dass 30% des gewonnenen C nicht in Biomasse umgewandelt werden kann, weil dieser Teil für Erhaltungsprozesse notwendig ist. Ca. 50% der Erhaltungsresp. unterstützt den Proteinumsatz, das sehr kostenaufwendig für Pflanzen ist. Das trifft vor allem auf Enzyme zu, die sehr abundant aber kurzlebig sind. Die Verbesserung von Proteinumsatzraten ist daher ein geeignetes Mittel um respiratorische Kosten zu senken.Kandidaten zur Reduktion von Proteinumsatzraten gibt es in allen Pflanzen und dienen als Startpunkt um Erhaltungsresp. zu verbessern. Fünf Arabidopsis-Gene wurden aus verfügbaren Datensätzen ausgewählt und werden einer kontinuierlichen gerichteten Evolution unterzogen. Dazu werden die entsprechenden Gene aus den Plattformorganismen Escherichia coli und Hefe mittels der Keio-Kollektion in Verbindung mit P1-Phagentransduktion bzw. der Euroscarf-Kollektion kombiniert mit CRISPR/Cas9 Genom-Editierung entfernt. Die ausgewählten Kandidaten werden dann mittels synthetischer Biologie entwickelt: EvolvR in E. coli and OrthoRep in Hefe. Beide Techniken erlauben hohe Mutationsraten. Durch vollständiges Ausschalten der Expression in diesen Systemen gefolgt von einer Wachstumsphase erlaubt die Selektion von Zellen mit den langlebigsten Zielenzymen, weil diese Zellen für die längste Zeit weiterwachsen. Die entwickelten Enzyme werden denn sequenziert um zu bestimmen, welche Aminosäuren mutiert wurden. Außerdem werden diese Gene in E. coli exprimiert, gereinigt und deren kinetische Parameter bestimmt. Die fünf besten Enzyme aus den Plattformorganismen E. coli oder Hefe werden weiterhin einer Strukturuntersuchung mittels Homologie-Modellierung und Kristallstrukturen unterzogen (von Projektpartnern durchgeführt). Wir wollen dadurch strukturelle Eigenschaften identifizieren, die entwickelt wurden.Um zu testen, ob die entwickelten Enzyme zu einer Erhöhung der Biomasse beitragen, werden die zwei besten Kandidaten in Arabidopsis überführt. Dafür wird CRISPR/Cas9 genutzt um Aminosäureveränderungen in nativen Genen vorzunehmen, die den Eigenschaften entsprechen, die durch gezielte Evolution eingeführt wurden. Die oberirdische Biomasse und die Samenausbeute wird im Vergleich zu Kontrollpflanzen bestimmt. Außerdem werden von Projektpartnern der metabolische Fluss und Umsatzraten der Arabidopsis-Mutanten analysiert, was wichtige Erkenntnisse liefert um energieeffiziente Kulturpflanzen zu entwicklen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Andrew D. Hanson, Ph.D.