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Biowissenschaft
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(30.11.2021) Die Oberflächen­temperatur der Erde steigt – langsam, aber stetig. Um diese Entwicklung einzudämmen, sind alle Wissenschafts­disziplinen gefordert.
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Der diesjährige Nobelpreis in Physik geht zu einem Viertel an den Hamburger Meteo­rologen Klaus Hasselmann. Erst seine Modellie­rungsmethoden komplexer Systeme erlaubten, zwischen natürlichen Wetter­phänomenen und dem Einfluss anthro­pogener CO2-Emissionen zu unterscheiden. Fest steht seitdem: Die durch­schnittliche Oberflächen­temperatur der Erde steigt, und zwar gegenwärtig um 0,2 Grad Celsius pro Jahrzehnt auf mittlerweile 1,1 Grad Celsius über vorindus­triellem Niveau (IPCC-Sonderbericht).

Das Pariser Klima­abkommen von 2015 macht indes klar, welche globale Katastrophe eine Erderwärmung um mehr als 1,5 bis 2 Grad Celsius wäre. Um sie zu vermeiden, müssen die Konzen­trationen langlebiger Treibhausgase – neben Kohlendioxid also Methan, Distick­stoffmonoxid und Halogen­kohlenwasserstoffe – bis zum Ende des Jahrhunderts von gegenwärtigen 500 ppm (parts per million) bei 450 ppm CO2-Äquivalenten stabilisiert werden. Aber wie? Bäume könnten ein Schlüssel sein.

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GeCRISPRte Rotbuchen

Deutsche Wälder speichern mit 11,5 GtCO2 ein 13-Jahres-Budget des deutschen Gesamt­ausstoßes. Diese Bilanz möchte der Nachwuchs­gruppenleiter Tobias Brügmann am Thünen-Institut für Forstgenetik bei Hamburg langfristig verbessern – mit genom­editierten Bäumen. „Wir passen CRISPR-Cas-Systeme von Modell­pflanzen wie Arabidopsis und Nicotiana über Pappeln an Rotbuchen an, um deren Trocken­stresstoleranz zu steigern“, fasst er seine Forschungs­bestrebungen zusammen. Die Rotbuche steht im Fokus der Forstgenetiker, da 55 Prozent des häufigsten deutschen Laubbaums laut Waldzustands­erhebung 2020 deutliche Kronen­verlichtung zeigen – mehr als jede andere Baumart.

Warum aber waldfremde Pappeln genom­editieren? „Neben einem mit 520 Millionen Basenpaaren vorteilhaft kleinen und 2006 als erste Baumart sequenzierten Genom wachsen Pappeln im Gegensatz zu anderen Bäumen gut auf In-vitro-Nährmedien. Ihre Einzelzellen lassen sich bereitwillig transformieren und durch Hormonzugabe binnen Monaten zu verholzenden Jungpflanzen regenerieren“, beschreibt Brügmann seinen Forschungsliebling.

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Empfindliche Schere

Den Machbarkeitsnachweis in langsam­wüchsigen Forstpflanzen erbrachte indes eine US-Arbeitsgruppe 2015. Mit CRISPR-Cas9 schalteten sie zwei 4-Cumarat:CoA-Ligasen der Lignin-Biosynthese aus und lernten gleichzeitig, wie empfindlich die Single-Guide-RNA (sgRNA) der Genschere für Einzelnukleotid-Polymor­phismen ist (New Phytol, 208(2):298-301).

Was eine in Forstpflanzen effiziente sgRNA auszeichnet, ergründet auch Brügmann seit seiner Zeit als Postdoktorand: Mithilfe von Agrobacterium tumefaciens transformierte er Grau- und Zitter-Pappeln konstitutiv mit der Strepto­coccus-Endonuklease und quantifizierte die Editierungs­effizienz designter sgRNA anhand zwölf verschiedener Gene unter anderem für die Biomasse­bildung (Int J Mol Sci, 20(15): 3623). Die vorläufige Schluss­folgerung: Wichtig sind der GC-Gehalt der sgRNA und vier Purine an deren 3‘-Ende. Und es ist von Vorteil, Cas9 den nicht-transkribierten DNA-Strang einer Zielsequenz zerschneiden zu lassen.

Brügmann blickt unterdessen über technische Aspekte hinaus: „Für den Moment inven­tarisieren wir alle Gen-Knockouts und suchen nach Phänotypen, die Zellmem­branen bei Wasser­mangel stabilisieren, pflanzliches Gewebe erholungs­fähiger und Temperatur-unempfind­licher machen oder das Wurzel­tiefen­wachstum anregen. Für eine Aussage, wie genom­editierte Bäume im Klimawandel helfen können, ist es aber noch ein paar Jahre zu früh.“ Klar ist hingegen, dass klassische Kreuzungs­züchtung bei einem Zeithorizont weniger Jahrzehnte wenig nützt. Während Rotbuchen erst nach einem halben Jahrhundert blühen, lassen sich genetische Veränderungen mit CRISPR-Cas binnen Tagen einbauen.

Bioscientists for future

Neben genom­editierten Bäumen gibt es eine Vielzahl weiterer Ideen und Lösungs­vorschlägen aus der Biowissenschaft. Extra großzügig finanziert oder breitflächig umgesetzt werden laut ihrer Betreiber aber nur die wenigsten. Im Gegensatz dazu haben sich die weltführenden Erdöl- und Erdgas­produzenten, die vier Fünftel des globalen CO2-Budgets bestimmen, noch immer nicht dem Zwei-Grad-Celsius-Ziel des Pariser Klima­abkommens verpflichtet. Sie wollen aber „die Bemühungen zur Begrenzung des Temperatur­anstiegs auf 1,5 Grad fortsetzen“ (Weltklimakonferenz 2021). Unterdessen übernimmt die Klimajugend gesell­schaftliche Verantwortung, läuft den Medizinerinnen und Biowissen­schaftlern die Zeit davon. Sind sie in der Pflicht, öffentlich die Stimme zu erheben (scientists4future.org)?

Henrik Müller

Dieser hier gekürzte Artikel erschien zuerst in Laborjournal 11/2021. Im ausführlichen Text schreibt Henrik Müller außerdem über Forschung zu tierfreier Käseproduktion, E.-coli-Stämmen, die auf Ameisensäure wachsen und Biokunststoffe produzieren, sowie zu individuell wirksamen Hyposensibilisierungsextrakten für Pollenallergiker.

Bild: Pixabay/cubicroot


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Letzte Änderungen: 30.11.2021