Seit der Entdeckung der grundlegenden Vererbungsgesetze in Erbsenpflanzen durch Gregor Mendel Ende des XNUMX. Jahrhunderts haben Forscher auf der ganzen Welt die Geheimnisse untersucht, die in der DNA von Pflanzen verborgen sind, und Techniken erfunden/verbessert, die die Art und Weise verändert haben, wie Menschen grüne Organismen für landwirtschaftliche oder industrielle Zwecke züchten – wie z grüne Revolution die auf der Verwendung von Halbzwerg- und Hochertragssorten beruhten, die die Getreideproduktion in den 1960er Jahren verdoppelten, oder auf der Verwendung von Genomik-Werkzeugen in der modernen Züchtung und Pflanzenpharmazie (dh der Verwendung von Pflanzen als Fabriken zur Herstellung von Arzneimitteln).

Um mehr über aufstrebende Felder in der Pflanzenwissenschaft zu erfahren, traf sich BotanyOne Dr. Jae-Seong Yang und Dr. Ivan Reyna-Llorens, zwei junge Gruppenleiter am Centre for Research in Agricultural Genomics (CRAG, Barcelona), die die organisierten Konferenz zur Synthetischen Biologie der Pflanzen im September 2022.

Was genau macht Plant Synthetic BiolOgy bedeutet?

Jae-Seong und Ivan stimmen in der Definition von Plant Synthetic Biology – kurz Plant SynBio – als der nächsten Generation von Pflanzenbiotechnologie und Gen-/Metabolic Engineering überein. Ivan erklärte, dass diese Entwicklung durch neue Technologien (z. B. Sequenzierung der nächsten Generation und Genomsynthese) sowie durch neue Werkzeuge ermöglicht wurde, die die Generierung von Hunderten verschiedener Konstrukte unter Verwendung automatisierter Systeme und Robotik erleichtern.

Jae-Seong spezifizierte, dass Synbio die Konzepte und Prinzipien des Ingenieurwesens auf die Biologie anwendet: DESIGN-BUILD-TEST-LEARN (und zurück in einem Kreislauf).

Anfängliches experimentelles DESIGN: Definition des zu behandelnden biologischen Problems und Auswahl potenzieller Organismen, Pfade und zu verwendender Werkzeuge. BUILD: Synthese und Zusammenbau der molekularen Komponenten, die benötigt werden, um den ausgewählten Organismus zu modifizieren. TEST: Validierung des experimentellen Designs durch Screening, Genotypisierung/Phänotypisierung und molekulare/biochemische Analysen des modifizierten Organismus. LERNEN: Datenanalyse und -modellierung, Sammeln neuer Informationen zur Neugestaltung von Experimenten. Angepasst von: Petzold et al., 2015. Credits, MO (Canva)

Ivan sagte uns, dass Plant SynBio darauf abzielt, diese Prinzipien und Technologien zu nutzen, um viele der Probleme zu verbessern oder zu lösen, mit denen wir derzeit in Bezug auf Biodiversität, Ernährungssicherheit, Nachhaltigkeit und Gesundheit konfrontiert sind. Jae-Seong fügte hinzu: „Im Vergleich zu früheren Ansätzen ist Synbio schneller“. Heutzutage ist das ein Vorteil, weil zum Beispiel traditionelle Methoden zur genetischen Verbesserung von Pflanzen (zur Steigerung der Produktivität oder zur Verleihung von Stresstoleranz) zu langsam sind, um mit dem schnellen Tempo des Klimawandels Schritt zu halten. Synbio ist auch drastischer: Bei der Gentransformation beruht der klassische biotechnologische Ansatz auf der Modifikation einer Pflanze mit einem einzigen Gen, während ein Synbio-Ansatz eine Reihe von Genen einführt (die auch von anderen Organismen stammen können).

Reden wir über die Wissenschaftler … warum hast du das gemacht? entscheiden, bei SynBio einzusteigen, und wie entwickeln Sie Ihre Karriere in diesem Forschungsbereich?

Ivan ist ein mexikanischer Wissenschaftler, der zum ersten Mal von Synthetischer Biologie hörte, als er an der University of Cambridge (UK) promovierte. Als er an einer Konferenz von Jim Hasselhoff und Tom Knight teilnahm, war er erstaunt über das Potenzial biologischer Systeme, Dinge zu schaffen, die sonst nicht möglich wären. Nach seiner Promotion im Labor von Julian Hibberd versuchte er, sich mehr auf diesem Gebiet zu engagieren, und er beschloss, mit einem Postdoc in derselben Gruppe weiterzumachen und an der zu arbeiten C4 RICE-Projekt – eine Initiative von Bill und Melinda Gates, die darauf abzielt, eine Reispflanze zu konstruieren, die den hocheffizienten C4-Weg durchführen kann. Danach engagierte er sich in der Offene Pflanzeninitiative, in dem Forscher verschiedener Institutionen (Universität Cambridge, The John Innes Centre und Earlham Institute) gemeinsam an synthetischer Biologie und Evolution zur Verbesserung der Photosynthese arbeiteten. Nach einer Tätigkeit als Bioinformatiker im Rahmen der ENSA-Projekt das zum Ziel hat, durch biologische Stickstofffixierung die Erträge von Kleinbauern in Afrika nachhaltig zu steigern (https://www.ensa.ac.uk/) kam er im September 2021 zu CRAG, um seine eigene Forschungsgruppe in Synthetischer Pflanzenbiologie und Photosynthese zu gründen.

Jae-Seong ist eine koreanische Wissenschaftlerin mit Leidenschaft Computational Biology. Er arbeitete als Postdoktorand am Centre for Genomic Regulation (CRG, Barcelona) in einer führenden Gruppe, die auf Bioengineering bei Bakterien spezialisiert ist (z. B. Modifikation sekretierter Proteine ​​in der Gattung Mycoplasma). Im September 2019 wechselte Jae-Seong von Bakterien zu Pflanzen, als er seine eigene Gruppe gründete, die sich der Untersuchung der Genregulation in Mikroalgen (dh einzelligen photosynthetischen Mikroorganismen) widmet. Konkret arbeitet seine Gruppe mit Chlamydomonas die Wirkung von Mutationen in Promotorregionen (dh DNA-Sequenzen, die stromaufwärts von Genkörpern gefunden werden, die die transkriptionelle Aktivierung oder Repression einer gegebenen Sequenz, die ein Protein kodiert, modulieren) auf die Genexpression zu untersuchen. Die im Labor gesammelten Daten werden dann berechnet und zur Modellierung des Expressionsniveaus von interessierenden Genen in Mikroalgen verwendet.

Jae-Seong findet das Chlamydomonas ist ein nahezu perfektes System zwischen schnell wachsenden Bakterien und langsam wachsenden Pflanzen. Es kann auch leicht als Biofabrik zur Herstellung von Molekülen von pharmazeutischem Interesse genutzt werden, da seine Produktion skalierbar ist – von kleinen Flaschen im Labor bis hin zu großen Mengen in der Industrie.

Die Mechanismen, die die Genexpression regulieren, sind jedoch bei Eukaryoten komplizierter als bei Bakterien (wie komplexe Wechselwirkungen zwischen Faktoren, Chromatin-Umbau, Zusammenspiel von Promotoren mit Enhancern und Terminatoren usw.) und die Expression eines exogenen Gens hängt vom Kontext ab (bekannt als Positionseffekt), da es zufällig in das Genom eingeführt wird.

Reden wir über die Konferenz… Warum haben Sie sich entschieden, diese Konferenz zu organisieren?

Mit der Einbindung junger Forscher (Jae-Seong, Ivan und kürzlich Robertas Ursache) wurde ein früheres Forschungsprogramm zum Schwerpunkt „Pflanzliche Synthetische Biologie und Metabolisches Engineering“ weiterentwickelt. Ivan erklärte: „Wir wollten diese Konferenz organisieren, um mit anderen Pflanzen-Synthetischen Biologen in Kontakt zu treten, neue Kooperationen anzustoßen und die Diskussion über die Anwendung der Pflanzen-Synthetischen Biologie in der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft zu fördern.“ Tatsächlich wurde das Treffen als gemeinsame Initiative mit Forschern von [Name der Organisation/Institution einfügen] organisiert. Der Exzellenzcluster Pflanzenwissenschaften (CEPLAS) , ein führendes Zentrum in Deutschland, das die nächste Ausgabe im Jahr 2024 ausrichten wird.

Können Sie uns sagen, welche die spannendsten Erkenntnisse waren, die auf dieser Konferenz präsentiert wurden?

Ivan ist der Ansicht, dass die Pflanzensynthetische Biologie als Disziplin einen hohen Reifegrad erreicht hat, was sich in den beeindruckenden Vorträgen und Postern der Konferenz widerspiegelt. Besonders begeistert war er von der Zugänglichkeit der Technologien für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Auch Jae-Seong stimmt dem zu und betont, dass die Entwicklung neuer Werkzeuge (wie beispielsweise die Erstellung von Standardkassetten für MIX & MATCH) den Austausch von Materialien innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft erleichtert.

Was werden in Anbetracht der Schnelllebigkeit dieses Bereichs die Errungenschaften in den nächsten 5 Jahren sein? Und zukünftige Herausforderungen?

Nach Meinung von Ivan wird Plant SynBio vor zwei großen Herausforderungen stehen. Der erste ist die Tatsache, dass die Biologie komplex und laut ist; Daher sollten Pflanzenwissenschaftler nicht nur etwas über Biologie, sondern auch über laute Biologie lernen. „Wir sind noch weit davon entfernt, genau zu verstehen, wie Systeme funktionieren und wie wir die Eigenschaften, die wir entwickeln wollen, stabilisieren können, damit sie nicht durch Rauschen oder die Kräfte der Evolution beeinflusst werden. Das ist eine Herausforderung, wenn wir zum Beispiel einen neuartigen Weg in eine Pflanze hinein konstruieren wollen. Wie einer der Redner sagte, Lärm ist ein Problem für die Technik, aber in der Biologie ist Lärm da, um zu bleiben damit wir besser lernen, damit umzugehen.“

Die zweite und wahrscheinlich wichtigste Herausforderung bezieht sich auf die rechtlichen Aspekte und ethischen Fragen von Plant SynBio, wie z. B. die Akzeptanz der Genom-Editierung bei Nutzpflanzen, die eine Schlüsselrolle bei der Generierung weiterer Forschungslinien spielen wird. Jae-Seong ist auch besorgt über ethische Bedenken und Ängste, die sich aus Neuheiten ergeben, betonte aber auch die Vorteile dieser neuen Ansätze für eine nachhaltige Landwirtschaft. Beispielsweise werden Ergebnisse der laufenden Forschung zur Genregulation ein Design ermöglichen Ad-hoc Regulationssequenzen nicht nur in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana sondern auch in wichtigen Kulturpflanzen wie Tomaten und Sorghum.

Welche Auswirkungen hat Plant SynBio auf die Gesellschaft?

„Die Auswirkungen dieses neuen Forschungsfeldes auf die Gesellschaft können enorm sein. Diese Technologien versprechen, die Art und Weise zu verändern, wie wir Rohstoffe, Lebensmittel oder sogar Medikamente herstellen“, schloss Ivan.

„Wir können die Pflanzenproduktion von Vitamin E verbessern, einem antioxidativen Molekül, das Gewebe vor Schäden durch starkes Licht oder den Salzgehalt des Bodens schützt“, fügte Jae-Seong hinzu.

Das ist natürlich kein Wundermittel und hat wie jede andere Technologie auch ihre Grenzen. Es ist wichtig, dass Wissenschaftler und die breite Öffentlichkeit in die Debatte einbezogen werden.

Sind wir bereit für die nächste grüne Revolution?