Synthetische Biologie schafft Zellwandschrank in Moos

Moss 2016: Während der jährlichen Konferenz für Molekularbryologen wurde inmitten einer überfüllten Sitzung eine Moosprobe an das Publikum weitergegeben, zu der die internationale Forschungsgemeinschaft von Physcomitrella patens gehörte. Angenehm überrascht nach einem sanften Hauch, entschied ich mich, beim zweiten Mal tiefer zu atmen. Das war nicht so wie das Moos, das auf Ihrem Zaun wächst, oder die Äste des Baumes außerhalb Ihres Hauses. Das „Duftmoos“ entstand durch die Einführung des Biosynthesewegs für Patchouliöl - ein in Parfums verwendetes ätherisches Öl. Das duftende Moos, das letzten Monat auf den Markt gebracht wurde, wird in kleinen Glasterrarien verkauft. Es wird als Produkt vermarktet, das eine Alternative zu Luftauffrischungsmitteln auf chemischer Basis bietet.

Das Moos Physcomitrella patens ist ein attraktiver Modellorganismus zur Entwicklung von Produkten für Biotech-Anwendungen. Gelegentlich wird der Name der Art falsch geschrieben: „Physcomitrella-Patente“. Früher galt dies als eine Unterart, die auf das Freiburger Umland beschränkt war: die Heimat des „Bryotechnologie-Unternehmens“ Greenovation. Das duftende Moos, das von einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Henrik Toft Simonsen (Technische Universität von Dänemark) entwickelt wurde, ist jedoch ein klares Beispiel dafür, dass die kommerzielle Entwicklung von Physcomitrella (Moos) zunimmt.

Synthetische Biologie

Die hochgradig zugängliche Fähigkeit von Moos, Gene zu bearbeiten, ist ein leistungsstarkes Werkzeug, um Synthesewege für Biotech-Anwendungen bereitzustellen. Ich habe den Begriff jetzt genug verwendet, ohne zu erklären, was synthetische Biologie bedeutet. Um das Konzept der synthetischen Biologie zu verstehen, benötigen wir einige genetische Hintergrundinformationen. Einfache Moleküle, die DNA genannt werden, kodieren alles Leben auf der Erde. Die DNA-Untereinheiten sind in zwei komplementären Ketten angeordnet, die sich zu einer „Doppelhelix“ -Struktur zusammenschließen. Die gesamte genetische Information eines Organismus wird als Genom bezeichnet. Die synthetische Biologie führt normalerweise neue Gene in einen lebenden Organismus ein, um sein Genom zu bearbeiten und den Organismus dazu zu bringen, wertvolle Produkte billig herzustellen.

Es gibt zwar keine perfekte Definition für die synthetische Biologie, aber sie könnte als ein Weg beschrieben werden, einen völlig neuen Organismus von Grund auf neu zu konstruieren oder biologische Wege in ein bestehendes System einzuführen / neu zu entwerfen. Im vergangenen Jahr schufen Wissenschaftler ein bakterielles Leben, indem sie 473 Gene chemisch synthetisierten - das kleinste Genom eines in der Natur vorkommenden Organismus. Eine der häufigsten Anwendungen der synthetischen Biologie ist die Herstellung von Medikamenten und Impfstoffen. Kürzlich haben Wissenschaftler einen Syntheseweg für die Biologie von Tabakpflanzen eingeführt, um einen synthetischen Polio-Impfstoff herzustellen. Es wird erwartet, dass dies der Beginn des letzten Schritts zur Ausrottung der Kinderlähmung sein wird - eine globale Initiative, die von der Weltgesundheitsorganisation geleitet wird.

Ein weiteres globales Gesundheitsziel ist die Ausrottung der Malaria, an der jedes Jahr mehr als 400.000 Menschen sterben. Aus der Pflanze Artemisinia annua wurde zunächst ein weit verbreitetes Malariamedikament „Artemisinin“ gewonnen, dessen Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Wissenschaftler haben das Hefegenom entwickelt und einen Biosyntheseweg zur Herstellung des Arzneimittels eingeführt. Artemisinin wurde letztes Jahr auch in Tabak hergestellt, und eine kürzlich durchgeführte Studie führte fünf verschiedene Gene in Moos ein, um Artemisinin herzustellen. Moss ist eine etablierte kommerzielle Biotech-Pflanze, die in riesigen Bioreaktoren mit 500 Litern Kultur angebaut werden kann. Daher könnte der Bedarf der Großindustrie an Malariamedikamenten durch die Herstellung von Artemisinin in Moos gedeckt werden.

In Zellen produzieren

Die Herstellung wertvoller Produkte wie Artemisinin in Pflanzen zu ermöglichen, ist ein großer Vorteil in der Biotechnologie. Pflanzen wachsen mit der Energie des Sonnenlichts und Kohlendioxids, während nicht-photosynthetische Organismen wie tierische Zellen auf Energie aus externen Kohlenstoffquellen angewiesen sind. Dadurch wird der Moosanbau billiger und für Unternehmen rentabler. Und Profit ist wichtig! Das ist es, was innovative Biotech-Unternehmen am Laufen hält. Die relativ geringe Ausbeute des in Moos hergestellten Malariamedikaments kann jedoch als solche keine wünschenswerten Gewinnspannen erzeugen. Untersuchungen haben bereits berichtet, dass das Targeting und die Herstellung von Biosynthese-Produkten in einem bereits vorhandenen Zellkompartiment (Organelle) die Produktausbeute um das 1000-fache steigern kann.

Das Targeting von Biosyntheseprodukten auf eine bereits vorhandene zelluläre Organelle kann zu einer höheren Ausbeute führen, erfordert jedoch noch einen mehrstufigen Reinigungsprozess, da die Produkte mit anderen funktionellen Biosyntheseenzymen und -pfaden gemischt werden und noch einen komplexen mehrstufigen Reinigungsprozess beinhalten. Darüber hinaus können Produkte, die auf vorhandene Organellen abzielen, die Funktion von biochemischen Pfaden oder Enzymen in der Organelle beeinträchtigen. Und da einige Enzyme lebenswichtig sind, tötet eine Störung ihrer Funktion den Organismus. Um also ein reines Produkt mit hoher Ausbeute zu erhalten, das die bestehenden Zellwege nicht beeinträchtigt, müssen wir synthetische Produkte in einer separaten synthetischen Organelle ansprechen. Der Weg dazu wäre, eine völlig neue Organelle zu erschaffen und in ein lebendes System einzuführen. Alternativ können wir auch eine vorhandene Organelle isolieren, um eine andere Subpopulation zu erstellen. Mit anderen Worten: Entführen Sie vorhandene Organellen, um eine Population separater „Designerorganellen“ zu generieren.

Richtung Designer Organelle

Unser Forschungsbericht beschreibt die Notwendigkeit, eine separate Organelle für die Anwendung in der Biotechnologie herzustellen. Und genau das haben wir getan, indem wir eine bereits vorhandene Organelle entführt haben. Wir haben das Moos Physcomitrella patens als Modellorganismus für unsere Studie ausgewählt, da Moos, wie oben erläutert, bereits eine etablierte Biotech-Pflanze ist. Der erste Schritt in Richtung der Designer-Organelle bestand darin, zu identifizieren, auf welche Organelle zugegriffen werden soll (Hijack). Moos ist ein eukaryotischer Organismus, dessen Zellen viele intrazelluläre Organellen enthalten, darunter Mitochondrien, das endoplasmatische Retikulum, den Zellkern, Chloroplasten, die Vakuole, Golgi und Peroxisomen.

Von diesen Organellen enthalten Mitochondrien und Chloroplasten bereits genetische Informationen, was bedeutet, dass Proteine ​​sowohl innerhalb dieser Organellen als auch aus dem Cytosol (Suspension innerhalb der Zelle, aber außerhalb der Organellen) importiert werden. Daher wäre es schwierig gewesen, diese Organellen zu entführen, um ein separates Abteil zu erstellen. Der Kern enthält genetische Informationen für so ziemlich alles, so dass es zu schwierig wäre, auch auf den Kern abzuzielen. Das endoplasmatische Retikulum, Golgi und die Vakuole sind Teil des Endomembransystems, das eine Reihe von Proteinen zu mehreren Zielen transportiert. Daher waren diese auch schwierig, da sie alle miteinander verknüpft sind.

So blieb uns das Peroxisom, ein essentielles Stoffwechselkompartiment in eukaryotischen Zellen. Alle peroxisomalen Proteine ​​werden aus dem Cytosol importiert. Diese Proteine ​​enthalten ein peroxisomales Zielsignal (PTS), das wie eine Postleitzahl wirkt und Proteine ​​zum Peroxisom leitet. Unsere Forschung überarbeitete die Proteinimportmaschinerie des Peroxisoms, indem sie ein alternatives peroxisomales Zielsignal (PTS *) identifizierte und ein Derivatrezeptorprotein entwarf, das Proteine ​​erkennt, die PTS * enthalten, aber nicht die natürlichen Proteine, die PTS enthalten. Wir haben dieses System dann in Mooszellen getestet und gezeigt, dass wir fluoreszierende Proteine ​​über die neu gestaltete Proteinimportmaschinerie in Peroxisomen einbringen können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Forschung einen Proof-of-Concept für die Entwicklung von Designerorganellen in lebenden Zellen entwickelt hat. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, den natürlichen peroxisomalen Proteinimportprozess zu entführen und ihn mit interessierenden Proteinen in eine separate Peroxisom-Subpopulation (Designer Organelle) zu füllen.

Das veränderte System kann möglicherweise in der Biotechnologie eingesetzt werden, um hauptsächlich hochwertige Proteine ​​zu speichern, wenn keine Konkurrenz zum normalen Gehalt an Peroxisomen besteht. Dies könnte es Forschern auch ermöglichen, Proteine ​​in einem Modellsystem zu untersuchen, das in Kompartimente unterteilt ist, sodass keine Interferenzen durch andere Proteine ​​in der Zelle auftreten sollten. Es entsteht im Wesentlichen ein „personalisierter Proteinschrank“ in lebenden Zellen. Die Lieferung dieses Systems in Moos könnte eine billigere und nachhaltigere Biosynthese von Arzneimitteln, therapeutischen und kommerziellen Proteinen ermöglichen. Diese Befunde können auch auf andere eukaryotische Modellorganismen übertragen werden.

Lesen Sie den vollständigen Artikel hier: Cross L. L. und Paudyal R. et al., 2017 Auf dem Weg zu Designer-Organellen durch Umkehrung des peroxisomalen Importwegs. Nature Communications 8: 454. http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-00487-7

Tags: Biotechnologie, Designerorganelle, Moos, Organelle, Peroxisom, Physcomitrella patens, Synthetische Biologie, Synthetische Organelle, Impfstoffe

Ursprünglich veröffentlicht unter http://www.talkplant.com am 5. Oktober 2017.