Pflanzen mit mikrofluidischen Jet-Injektionen entwickeln
Die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung erfordert widerstandsfähigere Pflanzen, die besser an den Klimawandel angepasst sind, was zu höheren Erträgen führt. Dennoch ist die Pflanzenzüchtung durch veraltete Methoden eingeschränkt, die langsam, auf bestimmte Arten begrenzt und ineffizient sind. Mit dem Klimawandel, zunehmendem Pathogendruck und sinkenden Erträgen besteht ein dringender Bedarf an Werkzeugen, die genetisches Material schnell und sicher in Pflanzengewebe einbringen können.
Überwindung von DNA-Transformationsbarrieren
Herkömmliche Transformationsmethoden sind mit einer geringen Effizienz, begrenzter Artenkompatibilität und einer schlechten Zellüberlebensrate verbunden. Der Agrobacterium-vermittelte Transfer(öffnet in neuem Fenster) nutzt Bakterien, um neue Gene zu übertragen, ist jedoch arbeitsintensiv und auf bestimmte Kulturpflanzen beschränkt. Bei der Protoplasten-basierten Transformation(öffnet in neuem Fenster) wird die Zellwand entfernt, um die Aufnahme von DNA zu ermöglichen, jedoch sind die resultierenden Zellen empfindlich und können oft keine ganzen Pflanzen regenerieren. Bei der Gen-Kanone(öffnet in neuem Fenster) werden Gewebe mit DNA-beschichteten Partikeln beschossen. Diese Methode ist zwar breit anwendbar, jedoch schädlich und führt zu einer geringen Transformationseffizienz. Das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Plant-a-Jet-Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, diesen Engpass mit einer neuartigen Jet-basierten Plattform zu überwinden, die genetisches Material direkt in Pflanzenzellen mit hoher Präzision einbringt. Das Team setzt auf die Genom-Editierung(öffnet in neuem Fenster) als alternative Strategie zur Pflanzenzüchtung. Dieser Ansatz verwendet gezielte molekulare Instrumente, um spezifische DNS-Sequenzen präzise zu verändern, was eine kontrollierte und vorhersehbare genetische Modifikation ermöglicht.
Die „BuBble Gun“
Im Mittelpunkt des Projekts steht die 'BuBble Gun', ein Gerät zur Erzeugung ultraschneller Flüssigkeitsstrahlen in einem Mikrochip, das im Rahmen des früheren, EU-finanzierten Projekts BuBble Gun(öffnet in neuem Fenster) entwickelt wurde. Ein Laserpuls erhitzt die Flüssigkeit kurzzeitig, wodurch eine Mikrobubble entsteht, die den Jet nach vorne treibt. Dieser Jet transportiert DNS oder Gen-Editing-Proteine in das Pflanzengewebe, unterstützt durch winzige Partikel, die vorübergehend Wege durch die Zellwand öffnen. „Unsere Methode funktioniert unter normalen Laborbedingungen, verursacht nur minimale Schäden und lässt sich einfach skalieren, indem viele Düsen parallel angeordnet werden“, betont Projektkoordinator David Fernandez Rivas. Dieser schonende und dennoch leistungsstarke Abgabemechanismus stellt eine Verbesserung gegenüber der Genkanonentechnologie dar, die sperrige Geräte erfordert. Der „BuBble Gun“ bewahrt die Zellintegrität und ermöglicht eine präzise Zielgenauigkeit – wichtige Eigenschaften für Anwendungen im Bereich der Genom-Editierung.
Proof-of-Concept-Demonstrationen
Die Pflanzenzellwand bleibt eines der größten Hindernisse in der Pflanzenbiotechnologie. Anstatt sich auf eine einzige Strategie zu verlassen, kombiniert das Team die mechanische Penetration durch den Lösungsmittelstrahl mit chemischen Hilfsmitteln, welche die Wand vorübergehend aufweichen. Dieser duale Ansatz erhöht die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Eindringens und hält gleichzeitig das Gewebe lebensfähig. Darüber hinaus könnte er die Transformation von widerspenstigen Arten ermöglichen, die mit Standardmethoden bisher nicht zugänglich waren. Erste Experimente zeigen, dass die „BuBble Gun“ genetische Fracht schnell und mit bemerkenswerter Präzision transportieren kann. Wichtig ist, dass die Fracht ihr Ziel ohne Qualitätsverlust erreicht. Diese Ergebnisse liefern starke Hinweise darauf, dass die Plattform eine DNS-freie Genom-Editierung direkt in Pflanzenmeristemen unterstützen kann, wodurch die langen Regenerationsphasen, die bei bestehenden Technologien erforderlich sind, möglicherweise umgangen werden können.
Nächste Schritte
Das Projekt konzentriert sich nun darauf, die Effizienz bei mehreren hochwertigen Nutzpflanzenarten nachzuweisen, darunter auch solche, die bekanntermaßen schwer zu transformieren sind. Parallel dazu wird daran gearbeitet, den Durchsatz zu verbessern, die Präzision zu erhöhen und das Design des Mikrostrahls zu verfeinern, um den Einsatz im industriellen Maßstab zu unterstützen. Das Potenzial von Plant-a-Jet ist vielfältig und bietet Möglichkeiten für eine schnellere, leichter zugängliche und durchsatzstärkere Genom-Editierung. „Unser Ansatz könnte dazu beitragen, die Entwicklung verbesserter Nutzpflanzen und moderner Strategien für die Züchtung klimaresistenter Pflanzen zu beschleunigen“, fasst Fernandez Rivas zusammen.
