Synthetische Module steigern die Produktion tierischer Nährstoffe in Pflanzen

Es ist wichtig, Gemüse zu essen, aber einige lebenswichtige Vitamine und Nährstoffe kommen nur in Tieren vor, darunter bestimmte Aminosäuren und Peptide. Jetzt wurde in einer Proof-of-Concept-Studie veröffentlicht Zeitschrift für Agrar- und Lebensmittelchemie, Forscher haben eine Methode entwickelt, um Kreatin, Carnosin und Taurin – alles tierische Nährstoffe und gängige Trainingsergänzungsmittel – direkt in einer Pflanze herzustellen. Das System ermöglicht die einfache Stapelung verschiedener Kunststoffmodule zur Steigerung der Produktion.

Pflanzen können überraschend empfänglich sein, wenn sie aufgefordert werden, Verbindungen zu produzieren, an die sie nicht gewöhnt sind. Mithilfe spezieller Bakterien übertrugen Wissenschaftler die DNA-Anweisungen für alle Arten von Aminosäuren, Peptiden, Proteinen oder anderen Molekülen in die Zellen verschiedener Pflanzen. Durch diese Technologie ist es beispielsweise möglich, Salat mit Peptidbestandteilen herzustellen, die den Knochenschwund reduzieren. Bei komplexeren Verbindungen könnten die übertragenen DNA-Anweisungen jedoch den natürlichen Stoffwechsel des Wirts so weit verändern, dass möglicherweise die Produktion des gewünschten Produkts verringert wird.

Der Forscher Pengxiang Fan und seine Kollegen wollten dieses Problem lösen, indem sie Anweisungen in Form von synthetischen Modulen einführten, die nicht nur das beabsichtigte Produkt, sondern auch die zu dessen Bau verwendeten Moleküle kodierten. Sie hofften, die Ausbeute an drei gewünschten Nährstoffen zu steigern: Kreatin, Carnosin und Taurin.

Das Team testete die austauschbaren synthetischen Module in Nicotiana benthamiana, einer tabakähnlichen Pflanze, die als Modellorganismus in Anwendungen der synthetischen Biologie verwendet wird:

• Das Kreatinmodul, das die beiden Gene für die Kreatinsynthese enthält, ergab 2,3 Mikrogramm Peptid pro Gramm Pflanzenmaterial.
• Das Carnosin-Peptid wurde unter Verwendung eines Moduls für Carnosin und eines weiteren Moduls für eine der beiden Aminosäuren, die zum Aufbau des Peptids verwendet wurden, β-Alanin, hergestellt. Obwohl β-Alanin natürlicherweise in N. benthamiana vorkommt, ist es in geringen Mengen vorhanden, so dass die Stapelung der Module die Carnosinproduktion um das 3,8-fache steigerte.
• Überraschenderweise gelang es bei Taurin mit einem Dual-Modul-Ansatz nicht, die Aminosäure zu erzeugen. Stattdessen kam es zu einer größeren Störung des Stoffwechsels und es wurde wenig Taurin produziert, als die Pflanze versuchte, die Dinge wieder in Gang zu bringen.

Insgesamt zeigt diese Arbeit einen effizienten Rahmen für die Produktion einiger der komplexen Nährstoffe, die typischerweise bei Tieren in einem lebenden Pflanzensystem vorkommen. Die Forscher sagen, dass zukünftige Arbeiten diese Methode auf essbare Pflanzen, einschließlich Obst oder Gemüse, und nicht nur auf Blätter anwenden könnten, oder auf andere Pflanzen, die als Biofabriken zur nachhaltigen Produktion dieser Nährstoffe fungieren könnten.