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 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455236359

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Weltbevölkerung wird bis 2050 auf mehr als neun Milliarden Menschen ansteigen. Um diese ausreichend zu ernähren, muss die Produktion von Nutzpflanzen um mind. 50% steigen. Die Zunahme von Ernteerträgen hat aber schon begonnen abzuflachen, was darauf hindeutet, dass konventionelle Züchtungsmethoden dieses Ziel nicht erreichen können. Das macht die Entwicklung und Anwendung neuer Techniken zur Steigerung von landwirtschaftlichen Erträgen notwendig. Metabolic engineering und synthetische Biologie können dazu beitragen, Kohlenstoffverlust durch gesenkte Respirationskosten zu verringern, wodurch eingesparter Kohlenstoff in die Produktion von Biomasse umgeleitet werden kann. Mindestens die Hälfte des Kohlenstoffs, der durch Photosynthese fixiert wird, kann nicht in Biomasse gespeichert werden, weil er in Respiration verbraucht wird. Teile dessen werden für Proteinumsatz verwendet, der ca. 20% des Gesamtkohlenstoffhaushalts einer Pflanze konsumiert. Proteinumsatz (= Degradation und Neusynthese von Proteinen) ist wichtig, um beschädigte Enzyme, z.B. nach Selbstinaktivierung, zu ersetzen. Obwohl Enzyme, die schädigende Reaktionen katalysieren, leicht durch die katalysierte Reaktion beschädigt werden können (z.B. durch reaktive Substrate, Produkte oder Cofaktoren), ist Selbstinaktivierung bei Enzymen immer noch eine unterschätzte Ursache für Proteinabbau. Im Vergleich zu langlebigen Enzymen, die mehrere Millionen Reaktionen katalysieren können, bevor sie inaktiviert werden, katalysieren kurzlebige Enzyme nur eine einzige oder wenige Tausend Reaktionen. Die Verringerung der Kosten, um abundante und kurzlebige Enzyme zu ersetzen, ist eine fast völlig unerforschte Strategie, um Kohlenstoffverlust zu minimieren und Biomasseproduktion zu steigern. Es ist eine vielversprechende Möglichkeit, um Respirationskosten in Nutzpflanzen zu senken. Das geförderte Projekt hatte zum Ziel, die Lebensdauer von THI4 Thiazole Synthase und Methioninsynthase (MS) in vivo zu verlängern. Beide Enzyme sind besonders kurzlebig, aber abundant in Pflanzen. In einer explorativen Studie haben wir zuerst das Verbesserungspotential von Arabidopsis MS untersucht1. Wir fanden heraus, dass Aminosäuren, die leicht beschädigt werden können und in oder in unmittelbarer Nähe des Aktiven Zentrums liegen, durch stabilere Aminosäuren in bakteriellen Sequenzen ersetzt sind. Das war ein guter Hinweis, dass pflanzliche Enzyme weniger anfällig für Beschädigungen gemacht werden können. In einer Pionier-Studie habe ich dann pflanzliche THI4s und MS verändert, um sie in vivo langlebiger zu machen. Dafür habe ich ein toxisches Analog und das System OrthoRep für kontinuierliche gerichtete Evolution in Hefe verwendet. The Evolution von THI4s kam gut voran und wurde erst kürzlich von einem Kollegen für weitere Experimente übernommen. Die MS wurde in OrthoRep verbessert, um eine Überproduktion von Methionin zu erreichen. Mittels Analytik konnte gezeigt werden, dass verbesserte Populationen bis zu 12-mal mehr Methionin produzieren - eine starke Indikation für eine längere Lebens- und Funktionszeit des Enzyms. Die Validierung von mutierten Proteinen in frischen OrthoRep- Zellen, In-vitro-Assays und Messungen der Proteinkonzentration werden bis Ende Juni für eine Publikation abgeschlossen. Zusätzlich haben wir ein Review über die Energiekosten für Respiration und die Möglichkeiten für die Erweiterung oder Senkung dieser Kosten veröffentlicht2. Mit dieser Publikation wollten wir die Kosten und Nutzen von populären SynBio-Strategien für Nutzpflanzen, z.B. für biologische Stickstofffixierung, reduzierte Respiration und langfristige Kohlenstoffbindung, abschätzen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The Moderately (D)efficient Enzyme: Catalysis-Related Damage In Vivo and Its Repair. Biochemistry, 60(47), 3555-3565.
  Bathe, Ulschan; Leong, Bryan J.; McCarty, Donald R.; Henry, Christopher S.; Abraham, Paul E.; Wilson, Mark A. & Hanson, Andrew D.
  
• Trichomes: Tiny Plant Organs with Superpower. Specialty Crop Industry
  U. Bathe
  
• Using continuous directed evolution to improve enzymes for plant applications. Plant Physiology, 188(2), 971-983.
  García-García, Jorge D.; Van Gelder, Kristen; Joshi, Jaya; Bathe, Ulschan; Leong, Bryan J.; Bruner, Steven D.; Liu, Chang C. & Hanson, Andrew D.
  
• Blueberry: Behind the Superfood Status. Specialty Crop Industry
  U. Bathe & B. Leong
  
• Fluoroacetate distribution, response to fluoridation, and synthesis in juvenile Gastrolobium bilobum plants. Phytochemistry, 202, 113356.
  Leong, Bryan J.; Folz, Jacob S.; Bathe, Ulschan; Clark, David G.; Fiehn, Oliver & Hanson, Andrew D.
  
• Respiratory energy demands and scope for demand expansion and destruction. Plant Physiology, 191(4), 2093-2103.
  Bathe, Ulschan; Leong, Bryan J.; Van Gelder, Kristen; Barbier, Guillaume G.; Henry, Christopher S.; Amthor, Jeffrey S. & Hanson, Andrew D.