Mithilfe präziser gentechnischer Verfahren ist es Forschern des Earlham Institute in Norwich gelungen, Tabakpflanzen in solarbetriebene Fabriken für Motten-Sexpheromone zu verwandeln.
Entscheidend ist, dass sie gezeigt haben, wie die Produktion dieser Moleküle effizient gesteuert werden kann, um das normale Pflanzenwachstum nicht zu behindern.
Pheromone sind komplexe Chemikalien, die von einem Organismus als Kommunikationsmittel produziert und freigesetzt werden. Sie erlauben Mitgliedern derselben Spezies, Signale zu senden, was beinhaltet, dass sie andere wissen lassen, dass sie nach Liebe suchen.
Landwirte können Pheromonspender zwischen ihren Pflanzen aufhängen, um die Signale weiblicher Insekten nachzuahmen und die Männchen zu fangen oder von der Partnersuche abzulenken. Einige dieser Moleküle können durch chemische Prozesse hergestellt werden, aber die chemische Synthese ist oft teuer und erzeugt toxische Nebenprodukte.
Dr. Nicola Patron, die diese neue Forschung leitete und die Synthetische Biologie-Gruppe am Earlham Institute leitet, nutzt modernste Wissenschaft, um Pflanzen dazu zu bringen, diese wertvollen Naturprodukte zu produzieren.
Die Synthetische Biologie wendet technische Prinzipien auf die Bausteine des Lebens, die DNA, an. Durch die Erstellung genetischer Module mit den Anweisungen zum Bau neuer Moleküle können Dr. Patron und ihre Gruppe eine Pflanze wie Tabak in eine Fabrik verwandeln, die nur Sonnenlicht und Wasser benötigt.
„Synthetische Biologie kann es uns ermöglichen, Pflanzen so zu konstruieren, dass sie viel mehr aus etwas machen, das sie bereits produziert haben, oder wir können die genetischen Anweisungen bereitstellen, die es ihnen ermöglichen, neue biologische Moleküle wie Medikamente oder diese Pheromone zu bauen“, sagte Dr. Patron.
In dieser neuesten Arbeit arbeitete das Team mit Wissenschaftlern des Plant Molecular and Cell Biology Institute in Valencia zusammen, um eine Tabakart, Nicotiana benthamiana, zu manipulieren, um Motten-Sexpheromone herzustellen. Dieselbe Anlage wurde zuvor so konstruiert, dass sie Ebola-Antikörper und sogar Coronavirus-ähnliche Partikel zur Verwendung in COVID-Impfstoffen produziert.
Die Gruppe erstellte im Labor neue DNA-Sequenzen, um die Mottengene nachzuahmen, und führte einige molekulare Schalter ein, um ihre Expression präzise zu regulieren, was den Herstellungsprozess effektiv ein- und ausschaltet.
Ein wichtiger Bestandteil der neuen Forschung war die Fähigkeit, die Produktion der Pheromone fein abzustimmen, da es Nachteile hat, Pflanzen dazu zu zwingen, diese Moleküle kontinuierlich zu bilden.
„Wenn wir die Effizienz steigern, wird zu viel Energie vom normalen Wachstum und der normalen Entwicklung abgelenkt“, erklärte Dr. Patron.
„Die Pflanzen produzieren viel Pheromon, aber sie können nicht sehr groß werden, was die Kapazität unserer Produktionslinie wesentlich verringert. Unsere neue Forschung bietet eine Möglichkeit, die Genexpression viel subtiler zu regulieren.“
Im Labor machte sich das Team daran, die Steuerung von Genen zu testen und zu verfeinern, die für die Produktion der Mischung spezifischer Moleküle verantwortlich sind, die die Sexualpheromone von Mottenarten nachahmen, darunter Nabel-Orangenraupen- und Baumwollkapselwurmmotten.
Sie zeigten, dass Kupfersulfat verwendet werden kann, um die Aktivität der Gene fein abzustimmen, wodurch sie sowohl das Timing als auch das Ausmaß der Genexpression steuern können. Dies ist besonders wichtig, da Kupfersulfat eine billige und leicht verfügbare Verbindung ist, die bereits für die Verwendung in der Landwirtschaft zugelassen ist.
Sie waren sogar in der Lage, die Produktion verschiedener Pheromonkomponenten sorgfältig zu kontrollieren, wodurch sie den Cocktail optimieren konnten, um ihn besser an bestimmte Mottenarten anzupassen.
„Wir haben gezeigt, dass wir das Expressionsniveau jedes Gens relativ zu den anderen kontrollieren können“, sagte Dr. Patron. „Damit können wir das Verhältnis der hergestellten Produkte kontrollieren.“
„Das richtige Rezept zu finden, ist besonders wichtig für Mottenpheromone, da sie oft eine Mischung aus zwei oder drei Molekülen in bestimmten Verhältnissen sind. Unsere Mitarbeiter in Spanien extrahieren jetzt die pflanzlichen Pheromone und testen sie in Dispensern, um zu sehen, wie gut sie sich vergleichen lassen zu weiblichen Motten.“
Das Team hofft, dass ihre Arbeit den Weg zur routinemäßigen Verwendung von Pflanzen zur Herstellung einer breiten Palette wertvoller Naturprodukte ebnen wird.
„Ein großer Vorteil der Verwendung von Pflanzen besteht darin, dass es viel teurer sein kann, komplexe Moleküle mithilfe chemischer Prozesse aufzubauen“, sagte Dr. Patron. „Pflanzen produzieren bereits eine Reihe nützlicher Moleküle, sodass wir die neuesten Techniken verwenden können, um die vorhandenen Maschinen anzupassen und zu verfeinern.“
„In Zukunft werden wir vielleicht Gewächshäuser voller Pflanzenfabriken sehen, die eine umweltfreundlichere, billigere und nachhaltigere Möglichkeit bieten, komplexe Moleküle herzustellen.“
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Pflanzenbiotechnologie.
Mehr Informationen:
Nicola Patron et al, Einstellbare Kontrolle der Pheromonbiosynthese von Insekten in Nicotiana benthamiana, Pflanzenbiotechnologie (2023).