Schwerpunkt Weihnachtsbaum

Damit nichts anbrennt

Biolumineszenz lässt Weihnachtsbäume leuchten

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Von Henrik Harms | Die Pharmazeutische Biologie kann noch mehr leisten, um das Leben der Weihnachtsbäume zu verlängern. Eine der größten Lebensgefahren für die heimischen Weihnachtsbäume sind wohl die (Bienen-)Wachskerzen, welche die Nacht und den festlich geschmückten Baum erhellen sollen. Die Feuerwehren schlagen Alarm: Weihnachten kann „brandgefährlich“ sein. Hier könnte die Synthetische Biologie aushelfen. Was wäre, wenn unsere Weihnachtsbäume von selbst leuchten würden? So absurd es auch klingen mag, so ganz unmöglich erscheint es heutzutage nicht mehr.

In der Natur existieren verschiedene lichtemittierende Spezies, welche über eine sogenannte Biolumineszenz verfügen. Neben verschiedenen Bakterien sind dies z. B. auch Insekten der Gattung Lampyriadae, welche man hierzulande unter dem Namen Glühwürmchen kennt. Auch existieren einige Pilzarten (z. B. aus der Gattung Armillaria, auch bekannt als Hallimasch) und bestimmte Dinoflagellaten (u. a. einige Phytoplanktonarten). Diese besitzen verschiedene Luciferinderivate, welche durch ein ebenfalls speziesspezifisches Luciferase-Enzym unter Sauerstoffverbrauch zu Oxiluciferinderivat oxidiert werden. Diese Oxyluciferinderivate befinden sich dabei zwischenzeitlich in einem angeregten Zustand und emittieren beim Rückfall in den Grundzustand Licht. Andere Lebewesen, wie z. B. Medusen (Quallen) der Art Aequorea victoria, besitzen außerdem das sogenannte green fluorescent protein (GFP), welches nach Anregung unter blauem oder ultraviolettem Licht eine grüne Biolumineszenz erzeugt. In diesem Fall stammt das anregende Licht vor allem von dem Photopeptid Aequorin, welches als prosthetische Gruppe das gebundene Luciferinderivat Coelenterazin enthält. Calciumionen aktivieren das Aequorin, indem sie das Coelenterazin zu Coelenteramid oxidieren, das sich zunächst auch in einem angeregten Zustand befindet und beim Übergang zum Grundzustand das blaue GFP-anregende Licht emittiert. Darüber hinaus gibt es noch viele weitere Beispiele für natürliche Biolumineszenz.

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Quallen der Art Aequorea victoria besitzen das sogenannte green fluorescent protein (GFP).

Bald selbstleuchtende Pflanzen?

Eine greifbare Vision ist nun die Integration dieser Prinzi­pien in ausgesuchte Pflanzen mithilfe der synthetischen Biologie. Zum Teil wurde dies auch schon umgesetzt.

In ersten Versuchen gelang bereits erfolgreich die Expression verschiedener Luciferase-Enzyme in Pflanzen. Dies führte jedoch nur zu einer relativ schwachen vorübergehenden Lumineszenz, wenn die lebenden Pflanzen mit einem geeigneten Luciferinderivat angestrichen wurden.

Je nach Spezies existieren verschiedene Luciferine. Quelle: Chem. Soc. Rev. 45, 6048–6077 (2016).

Seitdem hat es einige Weiterentwicklungen gegeben. Ziel ist es, einen kompletten Luciferinkomplex dauerhaft in die entsprechende Pflanze zu integrieren und diesen zum Teil auch durch green fluorescent proteins (GFPs) zu ergänzen.

Da es verschiedene Ansätze gibt, lässt sich das genaue Vorgehen nicht verallgemeinern. Exemplarisch soll hier nur grob auf das Verfahren von Dr. Alexander Krichevsky eingegangen werden, welches auch die Grundlage für die bereits kommerziell erwerbbaren – zumindest schwach – bioluminiszierenden Pflanzen der Firma Gleaux® aus Las Vegas darstellt. Mit dieser Methode wurde ein kompletter bakterieller Luciferin-Luciferase-Komplex in Form des lux-Operons, welcher durch luxCDABEG repräsentiert wird, in das Erbgut von Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum) integriert. Die luxA- und luxD-Gene kodieren die Alpha- und Beta-­Untereinheiten des bakteriellen Luciferase-Enzyms. Dieses ist für die Umwandlung des bakteriellen Luciferins, in Form eines reduzierten Flavinmononukleotids und eines langkettigen Aldehyds verantwortlich. Dabei codieren die luxC-, luxD- und luxE-Gene für die Enzyme, die für die Synthese des langkettigen Aldehyds verantwortlich sind, und luxG, eine Flavinreduktase, die für die Umwandlung zum reduzierten Flavinmononukleotid sorgt. Damit dieses Operon auch in der Pflanze tatsächlich abgelesen wird, wird dem luxCDABEG-Operon voran noch ein Promotor in Form des Prm-Promotors eingefügt. Das Ganze wird in dem Plastid-Transformations-Vektor pCAS3 kloniert. Dieser enthält auch einen Spectinomycin-Resistenz-Selektionsmarker aadA, sodass man ein pCAS3-aadA-LUX-Vektor erhält.

Spectinomycin ist ein Aminoglykosid-Antibiotikum, welches auch in Pflanzenzellen die ribosomale Proteinbiosynthese hemmt und zur späteren Selektion transformierter Plastide verwendet wird.

Die Biolumineszenzreaktion in Bakterien. Oxidiertes, angeregtes Flavin emittiert Licht. Quelle: TrAC 28, 307–322 (2009).

Flankiert werden diese aadA-lux-Expressionskassetten durch Sequenzen für die homologe Rekombination. Diese dienen der Integration in den rps12/TrnV- oder Trn/TrnA-Genlokus der Tabak-Plastide. Mithilfe der Micro-Bombardement-Methode, mit einer sogenannten Genkanone, können diese Konstrukte dann in die Tabak-Plastide eingebracht werden. Erfolgreich transformierte Plastide werden dann mithilfe von Spectinomycin-supplementierten Medien selektiert, auf denen Pflanzen mit nicht transformierten Plastiden zugrunde gehen. Weitere Selektionen folgen um letztendlich stabile transplastomische Pflanzen-Zelllinien zu erhalten. Die übrig gebliebenen Zellen werden dann in ein Nährmedium überführt, das die Wurzel- und Sprossbildung stimuliert. Auf diese Weise können Pflänzchen herangezogen werden, in denen alle Zellen die neuen Gene enthalten.

Leuchtende Bäume statt Straßenlaternen

Wissenschaftler arbeiten tatsächlich daran, ähnliche Methoden auch für ganze Bäume zu etablieren, um Straßenlaternen in Zukunft durch diese zu ersetzen. Dafür wären jedoch weitaus leistungsfähigere Biolumineszenz-Systeme nötig. Verschiedene Forschergruppen testen dafür die optimierte Integration verschiedener Luciferin-Komplexe, unter anderem auch in kombinierten Systemen, welche auch GFP zur gegenseitigen Verstärkung erhalten. Abgesehen von den Kosten für einen solchen lebenden, hypothetischen, leuchtenden Weihnachtsbaum, müssten natürlich auch rechtliche Aspekte berücksichtigt werden. In der Europä­ischen Union wäre der Handel mit solchen gentechnisch veränderten Bäumen, anders als in den USA, massiv erschwert und ist derzeit kaum vorstellbar. Letztendlich müssten die Systeme dann noch für die entsprechende Weihnachtsbaumspezies optimiert werden. Was uns dann wieder zu der Frage bringt, für welchen Weihnachtsbaum Sie sich denn nun mithilfe des „Schmeil/Fitschen“ entschieden haben? |

Damals in der DAZ

Quallen-Gene für leuchtende Weihnachtsbäume

Nach leuchtenden Kartoffeln und schimmernden Mäusen nun fluoreszierende Weihnachtsbäume?

Warum nicht: Fünf Doktoranden der Universität von Hertfordshire arbeiten im Rahmen eines Biotechnologie-Wettbewerbs an einer Idee, die zu den bevorstehenden Festtagen passt – ein Weihnachtsbaum, der dank Quallen-Genen seinen festlichen Glanz selbst verbreitet, ohne elektrisches Licht oder Kerzen.

Mithilfe von Bakterien sollen zwei Gene aus Tiefsee­quallen, die das Enzym Luciferase und die Substanz GFP (Grünes Fluoreszierendes Protein) produzieren, in die Erbsubstanz von Fichten eingeschleust werden. Ein Spezialdünger, mit dem die Fichte anschließend behandelt wird, aktiviert die Luciferase. Diese wiederum schaltet das GFP ein, sodass der Baum im Dunkeln leuchtet und auch bei Tag ein wahrnehmbares Licht produziert.

Noch gibt es den fluoreszierenden Weihnachtsbaum allerdings nur auf dem Papier. Das größte Problem seien die Kosten, so das Forscherteam. Rund 600 DM würde ein Baum kosten – dafür lassen sich eine Menge Kerzen kaufen.

DAZ 1999, Nr. 49, S. 8

Literatur

Rajgopal S, Vijayalakshmi MA. Firefly luciferase: Purification and immobilization. Enzyme Microb. Technol. 1984,6,482–490

Purtov K et al. The Chemical Basis of Fungal Bioluminescence. Angew. Chem. 2015,127,8242–8246

Widder EA. Bioluminescence in the Ocean: Origins of Biological, Chemical and Ecological Diversity. Science 2010,328,704–708

Kaskova M, Tsarkova ZS et al. 1001 lights: luciferins, luciferases, their mechanisms of action and applications in chemical analysis, biology and medicine. Chem. Soc. Rev. 2016,45,6048–6077

Krichevsky A, Meyers B, Vainstein A et al. Autoluminescent Plants. PLOS ONE 5, e15461 (2010)

Brodl E, Ivkovic J, Tabib CR et al. Synthesis of alpha,beta-unsaturated aldehydes as potential substrates for bacterial luciferases. Bioorg. Med. Chem. 2017,25,1487–1495

Day A, Goldschmidt-Clermont M. The chloroplast transformation toolbox: selectable markers and marker removal. Plant Biotechnol. J. 2011,9,540–553

Swain F. Glowing trees could light up city streets. New Sci. 2010,208,21

Autor

Dr. Henrik Harms, Studium der Pharmazie und Promotion in Pharmazeutischer Biologie an der Universität Bonn, Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University California Santa Cruz und dem Deutschen Zentrum für Infek­tionsforschung der Universität Bonn. Seit 2017 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Naturstoffforschung der Universität Gießen, Insektenbiotechnologie, Naturstoffanalytik.­­

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