Im Rahmen einer Entdeckung, die darauf abzielt, die Entwicklung verfahrenstechnisch verbesserter Nutzpflanzen für Flugzeug-Biotreibstoffe zu beschleunigen, entwickelten Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums eine Möglichkeit, mehrere Gene in einem einzigen Schritt in Pflanzen einzuführen.
„Während wir versuchen, das Ziel einer CO2-freien Luftfahrtindustrie bis 2050 mit nachhaltigen Treibstoffen zu erreichen, sind die Herausforderungen enorm – technisch, wirtschaftlich und biologisch“, sagte Jerry Tuskan, CEO des von der ORNL geleiteten Center for Bioenergy Innovation. oder CBI, das die Forschung leitete. „Die Möglichkeit, mehrere Gene gleichzeitig zu testen, wird diesen Prozess beschleunigen und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass wir das nationale Ziel erreichen, bis 2050 100 % des auf Erdöl basierenden Flugtreibstoffs zu ersetzen.“
Die Pflanzentransformationstechnik, bekannt als Gen-Stacking, ersetzt die mühsame Methode, jeweils ein Gen in die DNA einer Zielpflanze einzufügen und die Pflanze dann zu sequenzieren, um sicherzustellen, dass sich die Gene an der richtigen Stelle befinden und die richtige Ausrichtung haben, um das auszulösen gewünschte körperliche Eigenschaften.
Gene funktionieren nicht im luftleeren Raum. Komplexe Eigenschaften, die sich Forscher wünschen, wie schnelleres Wachstum und Trockenheitstoleranz, werden oft von mehreren Genen gesteuert. Bei der traditionellen Gentechnik werden Pflanzen ein Gen und die damit verbundene biochemische Maschinerie hinzugefügt, es wird bewiesen, dass es funktioniert, dann wird dieses Pflanzenmaterial ein zweites Mal mit einem anderen Gen transformiert und bewiesen, dass es funktioniert, dann ein drittes Gen und so weiter, in einer komplexen, zeitintensiver Prozess.
„Es ist viel effizienter, wenn man das alles in einer Transformation erledigen kann“, sagte Tuskan, der auch an der Forschung mitgearbeitet hat.
Die ORNL-Wissenschaftler entwickelten eine neue Verabreichungsmethode, indem sie Proteinsegmente namens Inteine verwendeten, die die natürliche Fähigkeit besitzen, sich von größeren Proteinen abzuspalten und sich dann wieder zusammenzufügen, um neue Proteine zu bilden. Forscher nutzten die Inteine, um ein geteiltes selektierbares Markersystem zu entwickeln, das gleichzeitig vier Gene in Pflanzen einfügte, darunter Gene, die transformierte Zellen „markieren“ oder identifizieren, ihre Stabilität unterstützen und die Änderungen für Biosensoren erkennbar machen.
Die Technik, beschrieben in Kommunikationsbiologiewurde an Tabak, der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und dem Biomasserohstoff Pappel demonstriert.
Die resultierenden Hybriden wurden mit von ORNL entwickelten, lichtbasierten Biosensoren untersucht, die darauf hinwiesen, dass die neuen Gene in die Pflanze integriert wurden. Die Ergebnisse wurden durch die Untersuchung der Pflanzen-DNA bestätigt.
Das Projekt „ist das Ergebnis jahrelanger Forschung am CBI, die sich der Schaffung robuster Bioenergierohstoffe widmet, die unter nicht idealen Bedingungen wachsen“, sagte ORNL-Projektleiter Xiaohan Yang. „Wir wollen der Pappel Merkmale verleihen, die es wirtschaftlich machen, den Baum anzubauen und zu Kerosin zu verarbeiten.“ Die neue Gen-Stacking-Funktion lässt sich problemlos in bestehende Pflanzentransformationspipelines implementieren und ermöglicht gleichzeitig viel schnellere Ergebnisse, sagte Yang.
Im Rahmen seiner Mission, eine nachhaltige Non-Food-Rohstoffpflanze für sauberen Flugtreibstoff zu entwickeln, hat CBI Gene identifiziert, die Pflanzenmerkmale wie höheren Ertrag, Biomassezusammensetzung, die sich leichter zu Biokraftstoffen verarbeiten lässt, und Dürretoleranz steuern.
Yang und Kollegen haben begonnen, an einer Iteration der Technik zu arbeiten, um 12 Gene gleichzeitig einzufügen – 10 im Zusammenhang mit biologischen Funktionen in Pappeln und zwei Marker. Yang sagte, es sei möglich, die Technik zu verfeinern, um die Stapelung von bis zu 20 Genen zu unterstützen.
„Wir haben gezeigt, dass wir diese neuen Methoden für den Bau von Anlagenkonstrukten auf vorhersehbare und effizientere Weise anwenden können, die weniger nachgelagerte Validierung und Tests erfordert“, sagte Tuskan. Die neue Fähigkeit „geht über eine schrittweise Verbesserung der aktuellen Technologie hinaus und ist der Höhepunkt der Bemühungen vieler Menschen und stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserer Fähigkeit dar, Anlagen zu transformieren.“
Mehr Informationen:
Guoliang Yuan et al., Gespaltene selektierbare Markersysteme unter Verwendung von Inteinen erleichtern die Genstapelung in Pflanzen. Kommunikationsbiologie (2023). DOI: 10.1038/s42003-023-04950-8