Präzisere Gentechnik für Pflanzen

Die Gentechnik von Pflanzen ist ein zeitintensiver Prozess. Die derzeit verwendeten Methoden, um genetische Veränderungen zu bewirken, sind ungenau, daher ist es oft notwendig, Tausende von Pflanzen zu erzeugen, um eine zu finden, die zufällig die gewünschte Veränderung aufweist. Zwei Beiträge in dieser Woche Natur detailliert den Einsatz einer Gentechnologie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Pflanzengenome genauer zu bestimmen. Das Verfahren, das zuvor bei Tieren und in menschlichen Zellen verwendet wurde, kann verwendet werden, um ein neues Gen einzuführen, kleine Änderungen an bestehenden Genen vorzunehmen oder die Expression eines Gens zu blockieren; es ermöglicht auch, mehrere unterschiedliche genetische Veränderungen in dieselbe Pflanze einzuführen.

Genfixierung: Mit einer neuen Technik veränderten die Forscher ein Gen in Tabakpflanzen, um sie herbizidresistent zu machen. Die links abgebildeten Pflanzen gedeihen unter Herbizid-Exposition im Vergleich zu den Kontrollpflanzen rechts.

Wir haben jetzt eine gewisse Kontrolle über den genetischen Code der Pflanze, sagt Daniel Voytas , Hauptautor einer der Arbeiten und Genetiker an der University of Minnesota. Die Technik ermöglicht nicht nur präzisere Änderungen, sondern erhöht auch die Effizienz der Erzeugung gentechnisch veränderter Pflanzen zur Verwendung als Nahrung oder Treibstoff oder zur Aufnahme von Kohlenstoff und zur Reinigung der Umwelt erheblich. Wenn Sie ein Gen jedes Mal mit Präzision an denselben Ort liefern können, könnte dies die regulatorische Landschaft verändern und die Kosten für die Herstellung dieser transgenen Pflanzen senken, sagt er.



Vipula Shukla, Wissenschaftlerin bei Dow AgroSciences , der die andere Studie leitete, sagt, dass für Pflanzenwissenschaftler alle konventionellen Werkzeuge, die uns zur Verfügung stehen, auf Methoden basieren, die zufällige Modifikationen an Pflanzengenomen vornehmen. Diese Verfahren umfassen die Verwendung eines bakteriellen Vektors, um DNA in eine Pflanzenzelle zu übertragen, oder das physikalische Einstrahlen von DNA-beschichteten Partikeln in Zellen. Auf diese Weise eingeführte DNA, sagt Shukla, kann überall im Genom der Pflanze landen und unbeabsichtigte Nebenwirkungen haben, wie die Veränderung eines bestehenden Gens oder die Herstellung mehrerer Kopien des interessierenden Gens. Wissenschaftler erzeugen typischerweise viele Pflanzen und durchsuchen sie dann, um diejenigen zu finden, bei denen die gewünschte Veränderung erfolgreich war.

Beide neuen Studien – eine wurde von Dow und eine andere von einem akademischen Konsortium geleitet – verwendeten eine Gen-Targeting-Technologie namens Zinkfinger-Nukleasen – synthetische Proteine, die genau auf Stellen im Genom abzielen und spezifische genetische Veränderungen vornehmen können.

Zinkfingernukleasen funktionieren, indem sie beide DNA-Stränge an einer bestimmten Stelle im Genom brechen. Dieser doppelte Bruch veranlasst die zelleigene Reparaturmaschinerie, den Riss zu flicken. Die Maschinerie sucht oft nach einem DNA-Stück, das der beschädigten Region ähnelt, um es zu kopieren und wieder in das Genom einzufügen. Durch die Bereitstellung eines DNA-Stücks, das Sequenzen des ursprünglichen Gens mit den gewünschten Änderungen enthält – entweder das Hinzufügen eines neuen Gens oder eine Änderung der Sequenz – können Wissenschaftler die Zelle dazu bringen, den genetischen Code zu ändern, während sie den Bruch repariert. Die Technologie kann auch verwendet werden, um ein Gen zu blockieren, indem man sich einen anderen Reparaturmechanismus zunutze macht, bei dem die Zelle einfach die beiden abgebrochenen Enden wieder zusammenfügt, wodurch oft neue DNA-Sequenzen an der Reparaturstelle gelöscht oder eingefügt werden, was zu einem DNA-Code führt, der nicht richtig gelesen werden.

Die Dow-Gruppe nutzte die Methode, um bei Mais, einer Pflanze, die häufig als Tierfutter verwendet wird, zwei Veränderungen vorzunehmen. Die Forscher zielten auf ein Gen ab, das an der Produktion von Phytaten beteiligt ist, Chemikalien in Mais, die die meisten Tiere nicht verdauen können, und nutzten das Gen als Landeplatz, um ein weiteres Gen einzufügen, das der Pflanze eine Herbizidtoleranz verleiht. Gleichzeitig zerstörten sie das Zielgen, sodass die Pflanze weniger Phytate produziert, die laut Shukla auch als Abfall im Wasserabfluss von Farmen anfallen können. Die Fähigkeit, gewünschte Merkmale auf diese Weise zu stapeln, ist mit bestehenden Technologien nicht leicht zu bewerkstelligen.

Die akademische Gruppe verwendete eine ähnliche Methode, die von der entwickelt wurde Zinkfinger-Konsortium , einem internationalen Forscherteam, das sich der Entwicklung einer öffentlich zugänglichen Plattform für die Entwicklung von Zinkfingernukleasen verschrieben hat. Anstatt einer Pflanze ein neues Gen hinzuzufügen, verwendeten die Forscher Zinkfinger-Nukleasen, um eine veränderte genetische Sequenz in ein bestehendes Gen in Tabakpflanzen einzuführen; das vom Gen kodierte Protein ist ein Ziel von Herbiziden, und die Veränderungen machen die Pflanzen herbizidresistent. Voytas sagt, dass die Möglichkeit, solche subtilen Veränderungen innerhalb eines Gens vorzunehmen, Forschern eine neue Möglichkeit bietet, die Pflanzenbiologie zu studieren.

Das Verfahren erfordert immer noch das Generieren mehrerer Pflanzen und das Screening, um diejenigen zu finden, die erfolgreich verändert wurden, aber die Zahlen liegen im Bereich von Zehn oder Hundert und nicht von Tausenden oder Zehntausenden. Shukla schätzt, dass die Technologie den Zeitaufwand für das Engineering einer Anlage um etwa die Hälfte reduziert. Das Verfahren erfordert auch die Erzeugung von Zinkfinger-Nukleasen, die für eine bestimmte Anwendung spezifisch sind. Shukla sagt, dass Dow seine Plattform bereits für die Entwicklung der Moleküle in seinen internen Produkten sowie in akademischen Forschungsprojekten einsetzt und plant, die Technologie für akademische, kommerzielle und humanitäre Zwecke zu lizenzieren. Voytas sagt, dass das Zinc Finger Consortium seine Methode öffentlich zugänglich macht und Schulungen in dieser Technik anbieten wird.

Matthew Porteus , einem Biochemiker an der University of Texas in San Antonio, der einen begleitenden Leitartikel in Natur , sagt, dass die beiden Veröffentlichungen die ersten Beispiele für Forscher sind, die ein interessierendes Gen ausgewählt, Zinkfinger-Nukleasen für dieses Gen entworfen und die Nukleasen verwendet haben, um spezifische Modifikationen in Pflanzen zu erzeugen. Porteus, der Zinkfinger-Nukleasen als Methode zur Gentherapie beim Menschen untersucht, sagt, dass das Interesse an Zinkfinger-Nukleasen in den letzten Jahren gewachsen ist. Sie werden verwendet, um präzise Mutationen in Zebrafischen zu erzeugen, und eine klinische Studie am Menschen beginnt gerade, in der die Verwendung von Zinkfinger-Nukleasen getestet wird, um genetische Veränderungen in den T-Zellen von Patienten mit HIV zu erzeugen, mit der Hoffnung, dies zu erreichen ihre Zellen sind besser in der Lage, Infektionen abzuwehren.

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