Synthetische Module steigern die Produktion tierischer Nährstoffe in Pflanzen

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Es ist wichtig, Gemüse zu essen, aber einige essentielle Vitamine und Nährstoffe kommen nur in Tieren vor, darunter bestimmte Aminosäuren und Peptide. Nun wurde in einer Proof-of-Concept-Studie veröffentlicht Zeitschrift für Agrar- und Lebensmittelchemie, Forscher haben eine Methode entwickelt, um Kreatin, Carnosin und Taurin – alles tierische Nährstoffe und gängige Trainingsergänzungsmittel – direkt in einer Pflanze herzustellen. Das System ermöglicht die einfache Stapelung verschiedener synthetischer Module, um die Produktion zu steigern.

Pflanzen können überraschend empfänglich sein, wenn sie aufgefordert werden, Verbindungen zu produzieren, an deren Herstellung sie nicht gewöhnt sind. Mithilfe eines speziellen Bakteriums haben Wissenschaftler DNA-Anweisungen für alle Arten von Aminosäuren, Peptiden, Proteinen oder anderen Molekülen in die Zellen verschiedener Pflanzen übertragen. Mithilfe dieser Technologie konnten beispielsweise Salate mit Peptidbestandteilen hergestellt werden, die den Knochenschwund reduzierten. Aber wenn es um komplexere Verbindungen geht, könnten die übertragenen DNA-Anweisungen den natürlichen Stoffwechsel des Wirts so stark verändern, dass letztendlich die Produktion des gewünschten Produkts reduziert wird.

Der Forscher Pengxiang Fan und seine Kollegen wollten dieses Problem angehen, indem sie Anweisungen in Form von synthetischen Modulen einführten, die nicht nur das beabsichtigte Produkt kodierten, sondern auch die Moleküle, aus denen es hergestellt wurde. Sie hofften, die Ausbeute an drei gewünschten Nährstoffen zu steigern: Kreatin, Carnosin und Taurin.

Das Team testete die austauschbaren synthetischen Module in Nicotiana benthamiana, einer tabakähnlichen Pflanze, die als Modellorganismus in Anwendungen der synthetischen Biologie dient:

  • Das Kreatinmodul, das die beiden Gene für die Kreatinsynthese enthielt, ergab 2,3 Mikrogramm des Peptids pro Gramm Pflanzenmaterial.
  • Das Carnosin-Peptid wurde unter Verwendung eines Moduls für Carnosin und eines weiteren Moduls für eine der beiden zum Aufbau des Peptids verwendeten Aminosäuren, β-Alanin, hergestellt. Obwohl β-Alanin natürlicherweise in N. benthamiana vorkommt, kommt es nur in geringen Mengen vor, so dass die Kombination der Module die Carnosinproduktion um das 3,8-fache steigerte.
  • Überraschenderweise war für Taurin ein Doppelmodulansatz zur Herstellung der Aminosäure erfolglos. Stattdessen kam es zu einer größeren Störung des Stoffwechsels und es wurde wenig Taurin produziert, während die Pflanze versuchte, den Stoffwechsel wieder in Gang zu bringen.

    • Insgesamt zeigt diese Arbeit einen wirksamen Rahmen für die Produktion einiger der komplexen Nährstoffe, die typischerweise bei Tieren in einem lebenden Pflanzensystem vorkommen. Die Forscher sagen, dass zukünftige Arbeiten diese Methode auf essbare Pflanzen anwenden könnten – einschließlich Obst oder Gemüse und nicht nur auf Blätter – oder auf andere Pflanzen, die als Biofabriken zur nachhaltigen Produktion dieser Nährstoffe fungieren könnten.

    Weitere Informationen:
    Engineering des Pflanzenstoffwechsels zur Synthese von Aminosäurederivaten tierischen Ursprungs mithilfe eines synthetischen modularen Ansatzes, Zeitschrift für Agrar- und Lebensmittelchemie (2024). DOI: 10.1021/acs.jafc.4c05719

    Zur Verfügung gestellt von der American Chemical Society

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