Optimierung des genetischen Schaltungsdesigns von Rhizobakterien für landwirtschaftliche Nachhaltigkeit

Die Erleichterung der Wechselwirkungen zwischen den Wurzeln einer Pflanze und ihrer äußeren Umgebung ist der Schlüssel zur Bewältigung verschiedener bevorstehender Herausforderungen in den Bereichen Ernährung, Energie und Nachhaltigkeit. Beispielsweise können Pflanzen mit modifizierter Wurzelarchitektur den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre reduzieren oder sogar die Ernteerträge erhöhen, um die wachsende menschliche Bevölkerung zu ernähren.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist der Aufbau eines „genetischen Schaltkreises“ innerhalb von Pflanzenzellen. Ein genetischer Schaltkreis ist eine Sammlung biologischer Komponenten, die eine RNA oder ein Protein kodieren, das es einzelnen Zellen ermöglicht, bestimmte Funktionen auszuführen. In Pflanzenzellen kann es Umweltbedingungen wahrnehmen, Hinweise interpretieren und gewünschte Phänotypen zeigen. Das Design dieser Schaltungen in Anlagen bleibt jedoch eine Herausforderung.

Während zusätzliche Forschung erforderlich ist, um pflanzliche Schaltkreise zu entwerfen, haben bakterielle Schaltkreise enorme Fortschritte gemacht. Mehrere Komponenten stehen zur Verfügung, um bakterielle Schaltkreise zu entwerfen, die dann verwendet werden, um komplexe Zellfunktionen zu erleichtern. Dieses Design erstreckt sich auf Pflanzenwurzeln, die der Ort kritischer Pflanzen-Bakterien-Wechselwirkungen sind. Rhizobakterien – frei lebende Bakterien, die Pflanzenwurzeln besiedeln – haben einen erheblichen Einfluss auf die Pflanzengesundheit, die Nährstoffaufnahme und die Bodenchemie. Daher kann ihr genetisches Schaltungsdesign verwendet werden, um Pflanzen mit wünschenswerten Eigenschaften zu entwickeln.

Zu diesem Zweck überprüfte ein Forscherteam, darunter Professor José R. Dinneny und sein Postdoktorand Dr. Christopher M. Dundas von der Stanford University, die genetischen Komponenten und bewährten Verfahren für die Entwicklung von Rhizobakterien-Schaltkreisen. Ihre Ergebnisse, die in veröffentlicht wurden BioDesign-Forschungkonzentrierte sich hauptsächlich auf die Sensoren, Aktuatoren und Chassis-Arten, die zur Regulierung von Pflanzenmikrobiomprozessen verwendet werden.

„Das Lernen über Ansätze zum Design genetischer Schaltkreise kann Wissenschaftlern dabei helfen, Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Rhizosphäre auf effektive Weise zu konstruieren“, sagt Dr. Dundas, während er die Motivation hinter dieser Überprüfung diskutiert.

Zunächst erforschte das Team Werkzeuge, die den erfolgreichen Aufbau genetischer Schaltkreise in Rhizobakterien erleichtern können. Insbesondere werden bioinformatische Werkzeuge, orthogonale Genexpressionsmaschinen und Genome Mining verwendet, um funktionelle Promotorsequenzen und Ribosomenbindungsstellen (RBS)-Sequenzen vorherzusagen, um die Transkription und Translation in Rhizobakterien zu manipulieren.

Genom-Engineering-Tools der nächsten Generation werden ebenfalls eingesetzt, um die Abhängigkeit von Rhizobakterien von der Replikation und Selektion des Wirts zu verringern. Darüber hinaus wurden mehrere Toolkits für die Konstruktion von Plasmiden mit breitem Wirtsbereich entwickelt, die für die Transformation von Rhizobakterien erforderlich sind.

Als nächstes diskutierte das Team das „rhizobakterielle Chassis“, das eine effektive Besiedelung des Wurzelgewebes erleichtert und wiederum dafür sorgt, dass der Kreislauf optimal funktioniert. Die Schaffung eines idealen Chassis kann erreicht werden, indem man auf bestimmte Gene abzielt, die kolonisationsbezogene Merkmale von Rhizobakterien regulieren, wie z. B. Chemotaxis, Wurzelanheftung, Ausmaß der Besiedlung, Biofilmbildung und die Fähigkeit, dem pflanzlichen Immunsystem auszuweichen.

Darüber hinaus ist die Auswahl einer geeigneten Rhizobakterienart notwendig, um unerwünschte Effekte zu vermeiden, die mit einem übermäßigen Bakterienwachstum in den Wurzeln verbunden sind.

Pflanzenwurzelexsudate, denen Rhizobakterien routinemäßig ausgesetzt sind, sind attraktive Sensorziele für die Verfolgung der Pflanzengesundheit. Der Artikel beleuchtet die Vorteile, aufgrund derer auf kleine Moleküle ansprechende Transkriptionsregulatoren wie Zucker, Stickstoffverbindungen, sekundäre Metaboliten und Phytohormone für die Entwicklung von Pflanzengesundheits-Biosensoren oder Sensorschaltkreisen bevorzugt werden.

Sensorschaltkreise wiederum helfen dabei, die Expression mehrerer Gene und nachgeschalteter Signalwege voranzutreiben.

Abschließend gibt der Artikel einen Überblick über „rhizobakterielle Aktoren“ oder Aktorschaltkreise, die die gewünschten Phänotypen in kolonisierten Pflanzen antreiben. Das Aktuatordesign kann durch Feinabstimmung der biosynthetischen Genexpression verbessert werden, was wiederum die Nährstoffaufnahme, die biotische/abiotische Stresstoleranz und das Pflanzenwachstum verbessern kann.

„Die von uns vorgestellten Strategien können dazu beitragen, genetische Schaltkreise neu zu verdrahten, um die Pflanzengesundheit und -produktivität über den Design-Build-Test-Learn-Zyklus zu verbessern. Wenn neue Technologien auftauchen, wird es spannend sein zu sehen, wie sich verschiedene bakterielle Forschungsbereiche mit rhizobakteriellen Sensoren überschneiden und Aktuatoren“, bemerkt Dr. Dundas.

Wie können diese Erkenntnisse verwandten neuen Technologien zugute kommen? „Die Schnittstelle zwischen Materialwissenschaften und synthetischer Biologie gewinnt stark an Bedeutung. Unsere Ergebnisse enthalten nützliche Erkenntnisse für die Entwicklung funktionalisierter lebender Materialien, die zur Besiedelung von Pflanzenwurzeln für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden können“, sagt Dr. Dundas .

Obwohl genetische Schaltkreise von Rhizobakterien ein enormes Potenzial haben, die landwirtschaftliche Nachhaltigkeit neu zu gestalten, ist es entscheidend, die technischen, regulatorischen und ethischen Einschränkungen im Zusammenhang mit dieser Technologie anzugehen. Darüber hinaus muss auch ihr Einsatz unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen untersucht werden. Dennoch sind die Forscher optimistisch, diese Kreisläufe zu erweitern, um die globalen Herausforderungen in den Bereichen Ernährungssicherheit und Nachhaltigkeit anzugehen.