Die „Omics“-Technologien – Genomik, Transkriptomik, Proteomik und Metabolomik – stehen an der Spitze der Entdeckungen in der modernen Pflanzenwissenschaft und Systembiologie. Im Gegensatz zum eher statischen Genom sind das Metabolom und die darin gemessenen Produkte jedoch sehr dynamisch. In der Wissenschaft bezeichnet Metabolom die Gesamtheit aller kleinen Moleküle, auch Metaboliten genannt, in einer biologischen Zelle, einem Gewebe oder einem Organismus. Ihre Konzentration schwankt im Allgemeinen sowohl räumlich als auch zeitlich stark.
Im biomedizinischen Bereich ist die Kernspinresonanztomographie (NMR) oder Magnetresonanztomographie (MRT) eine der leistungsstärksten technologischen Plattformen, die in vivo metabolische Diagnose- und Funktionsstudien ermöglicht. In der Pflanzenwissenschaft wurde eine ähnliche Perspektive gewünscht, aber nicht erforscht.
Eine neue Methode für die Pflanzenforschung
Diese Methode könnte nun durch eine Entwicklung von Wissenschaftlern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) bereitgestellt werden. Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) ist eine neue Methode für die Pflanzen-MRT. Diese Methode ermöglicht einen nichtinvasiven Zugang zum Stoffwechsel von Zuckern und Aminosäuren in komplexen Senkenorganen (Samen, Früchte, Pfahlwurzeln und Knollen) wichtiger Nutzpflanzen (Mais, Gerste, Erbsen, Kartoffeln, Zuckerrüben und Zuckerrohr).
Verantwortlich dafür sind Peter M. Jakob, Professor für Experimentelle Magnetresonanztomographie an der JMU, und Dr. Ljudmilla Borisjuk, Leiterin der Arbeitsgruppe Assimilatallokation und NMR am IPK. Die Gruppe präsentiert die Ergebnisse ihrer Studie in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.
So funktioniert CEST
„Übliche H-NMR-Bildgebung von biologischem Gewebe basiert beispielsweise auf Signalen, die hauptsächlich von Wasser- oder Lipidprotonen stammen“, erklärt Jakob den Hintergrund des Forschungsprojekts. Da die Konzentration der Metabolitenprotonen mindestens drei Größenordnungen niedriger ist als die von Wasser, erfordert der In-vivo-Nachweis von Metaboliten eine wirksame Unterdrückung des Wassersignals.
Eine Lösung könnte der im biomedizinischen Bereich eingesetzte chemische Austauschsättigungstransfer (CEST) bieten. Bei CEST wird die Magnetisierung von anderen Molekülen auf Wassermoleküle übertragen, sodass der Sättigungseffekt (dh die Signalreduzierung), der ursprünglich bei der Zielspezies auftrat, stattdessen auf Wasser beobachtet werden kann.
„Auf diese Weise ermöglicht CEST den Nachweis verschiedener Metaboliten anhand ihrer Fähigkeit, Protonen mit Wasser auszutauschen, und sorgt so für einen zusätzlichen MRT-Kontrast“, sagt Simon Mayer, Erstautor der Studie und Forscher am Leibniz-Institut IPK. „Aufgrund seiner hohen Signalerkennungsempfindlichkeit und geringen Anfälligkeit für Magnetfeldinhomogenitäten analysiert CEST heterogene botanische Proben, die für die herkömmliche Magnetresonanzspektroskopie nicht zugänglich sind.“
Die Ergebnisse sind ermutigend. „Unsere Studien zeigen, dass CEST ein leistungsstarker MRT-Ansatz ist, der die In-vivo-Stoffwechselanalyse in Pflanzen erleichtert und trotz der magnetischen Heterogenität der Proben eine mikroskopische Auflösung und dynamische Beurteilung der Zucker- und Aminosäureverteilung ermöglicht. Seine Anwendung auf verschiedene Nutzpflanzen zeigt, dass CEST ein… „Arten-, sorten- und organunabhängiger Ansatz zur nichtinvasiven Visualisierung von Metaboliten, ohne dass eine vorherige Kennzeichnung oder Probenverarbeitung erforderlich ist“, erklärt Dr. Borisjuk.
Das Forschungsteam konnte die Dynamik von Metaboliten in wachsenden Samen nachweisen, was mit herkömmlichen Techniken nicht möglich ist. Züchter legen großen Wert auf Kenntnisse über die räumlich-zeitliche Dynamik von Zuckern und Aminosäuren in Senkenorganen. Ihre Verteilung beeinflusst den Massentransport und den Stoffwechsel auf vielfältige Weise; Dieses Wissen fließt letztendlich in die Pflanzenverbesserung ein.
Einblicke in den Stoffwechsel lebender Pflanzen
CEST bietet beispiellose Möglichkeiten zur Überwachung dynamischer Veränderungen von Metaboliten in lebenden Pflanzen. Dies ist besonders wichtig für ein tieferes Verständnis der Merkmalsbildung und die Unterstützung der Züchtungsforschung durch In-vivo-Tests von Stoffwechselreaktionen auf Gentechnik und/oder Entwicklungsveränderungen.
„Die Visualisierung der Metabolitendynamik in lebenden Pflanzen ist ein gewünschtes Werkzeug, um strukturelle und metabolische Wechselwirkungen bei Pflanzenreaktionen auf sich ständig ändernde Umgebungen zu überbrücken. Daher wird CEST eingeführt, das die interne Gewebestruktur und die Metabolitendynamik visualisiert und gleichzeitig Tracer vermeidet, indem nur eine technologische Plattform, die MRT, verwendet wird.“ ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu diesem Ziel.“
Weitere Informationen:
Simon Mayer et al., Metabolische Bildgebung in lebenden Pflanzen: Ein vielversprechendes Feld für die MRT mit chemischem Austauschsättigungstransfer (CEST), Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq4424