Vom Pathway Engineering zur gerichteten Evolution

Düngemittel sind einer der Hauptgründe dafür, dass wir genug Pflanzen anbauen können, um die fast 8 Milliarden Menschen auf der Erde zu ernähren. Die moderne Landwirtschaft ist weitgehend auf stickstoffbasierte Düngemittel angewiesen, die den Ernteertrag deutlich steigern. Leider wird ein großer Teil dieser Düngemittel auf industrieller Ebene hergestellt, was fossile Brennstoffenergie verbraucht und Stickstoffverschmutzung verursacht.

Eine attraktive Möglichkeit, unseren Einsatz von industriell hergestellten Düngemitteln zu minimieren, ist die Nutzung der Kraft von Nitrogenasen. Diese Enzyme, die in verschiedenen Mikroorganismen vorkommen, können eine Stickstofffixierung durchführen, dh die Umwandlung von Stickstoffgas (N2) in Ammoniak (NH3), das eine biologisch nützlichere Form für Pflanzen ist.

Mithilfe biotechnologischer Werkzeuge könnten wir die Gene, die für Nitrogenasen kodieren, von einer Bakterienart in eine andere Art (einen „heterologen Wirt“) einführen. Das ultimative Ziel dieses Prozesses wäre es, eine neue Bakterienart zu entwickeln, die auf dem Feld neben Feldfrüchten überleben und Pflanzen mit NH3 versorgen kann, wodurch der Bedarf an so viel Industriedünger reduziert wird.

Diese Strategie hat sich jedoch als schwierig erwiesen, und die Forscher versuchen immer noch, viele Hindernisse zu überwinden. Davon motiviert hat ein Team von Wissenschaftlern, darunter Professor Mark Isalan vom Imperial College London, UK, kürzlich einen Übersichtsartikel in veröffentlicht BioDesign-Forschung. Darin heben sie die jüngsten Fortschritte beim Verständnis und der Bewältigung der Herausforderungen hervor, die bei der Entwicklung von Organismen zur Expression und Verwendung von Nitrogenase aufgetreten sind.

Nitrogenase und die damit verbundenen Enzyme werden von nif-Genclustern codiert, die mit einigen Variationen in verschiedenen Bakterienarten vorhanden sind. Obwohl diese Gencluster komplex sind, ist es einigen Forschern gelungen, einen minimalen Satz von Genen zu lokalisieren, die für die Stickstofffixierung unerlässlich sind. Dies ist ein wesentliches Wissen für den logischen nächsten Schritt: die Übertragung benutzerdefinierter nif-Gene auf einen heterologen Wirt.

Eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung stickstofffixierender Bakterien besteht darin, sicherzustellen, dass die übertragenen nif-Cluster mit dem Überleben des Organismus kompatibel sind. Wie in der Übersicht erläutert, ist die Herstellung von Nitrogenasen und deren Verwendung für Bakterien ein ressourcen- und energieintensives Unterfangen. Wenn die veränderten Organismen keinen Nutzen aus der Expression der neuen Gene ziehen, werden sie sehr wahrscheinlich von anderen Bakterien im Boden übertroffen oder entkommen den „nutzlosen“ Genen, indem sie sich gegen sie entwickeln.

Darüber hinaus wird die Expression von Nitrogenase normalerweise durch komplexe chemische Wege reguliert, die wiederum durch Umweltvariablen reguliert werden, einschließlich der Stickstoffkonzentration oder der chemischen Signalübertragung von Pflanzen. Daher haben viele Ansätze zur Steigerung der NH3-Produktion in heterologen Wirten nicht zu großem Erfolg geführt. Eine andere zu beachtende Sache ist, dass Nitrogenasen leicht durch Sauerstoff beschädigt werden können und der heterologe Wirt Mechanismen benötigt, um dieses Problem zu vermeiden.

Der Bericht legt großen Wert auf Symbiose, da das Überleben von gentechnisch veränderten Organismen draußen auf dem Feld von ihrer Beziehung zur Zielpflanze abhängt. Zunächst einmal sollte die Nutzpflanze nahe gelegene stickstofffixierende Organismen „belohnen“, indem sie Zucker mit ihnen austauscht, sowie geeignete chemische Signale liefern, um die Nitrogenase-Expression zu steuern. Die Bakterien wiederum sollten die NH3-Produktion idealerweise erst in der Nähe der Pflanzenwurzeln starten.

Daher besteht das übergeordnete Ziel der Entwicklung von Organismen für eine symbiotische Beziehung darin, beiden Arten einen Vorteil im Kampf ums Überleben zu verschaffen. Wie Isalan bemerkt, müssen wir dieses Ziel jedoch noch erreichen: „Das Überleben von gentechnisch veränderten Bakterien in realen Umgebungen wurde noch nicht im Detail erforscht, und es muss noch viel Arbeit geleistet werden, um synthetische Symbiosen zu entwickeln, die den Wettbewerb mit anderen Bodenmikroorganismen überleben .“

Der Artikel stellt auch einen vielversprechenden Ansatz namens „gerichtete Evolution“ vor, der aus kontrollierten Laborexperimenten besteht, bei denen gentechnisch veränderte Bakterien dazu gebracht werden, miteinander zu konkurrieren. Die Experimente sind so angelegt, dass die „siegreichen“ Gene in einer realen Umgebung besser geeignet sind oder alternativ etwas Licht auf bestimmte molekulare Mechanismen der Stickstofffixierung werfen.

Es gibt sicherlich viele Hürden zu überwinden, wenn wir wollen, dass künstliche Bakterien uns helfen, den Boden zu düngen, und es gibt noch mehr Möglichkeiten, wie wir diese Herausforderungen angehen können. „Welcher Ansatz auch immer verwendet wird, die Verbesserung der Nitrogenase-Aktivität gegenüber stickstofffixierenden Pflanzen ist ein komplexes und herausforderndes technisches Problem, das kreative Lösungen erfordert, die so vielfältig und dynamisch sind, wie wir sie in der Natur sehen“, schließt Isalan.