Genome Editing zur gezielten Verbesserung von Nutzpflanzen - Wissenschaftsjahr 2020/21 - Bioökonomie

Ein Beitrag von Prof. Dr. Stefan Schillberg, Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME

Die Pflanzenzucht ermöglicht es Nutzpflanzen mit höherem Ertrag, verbesserten Qualitäten und Resistenzen gegen Umwelteinflüsse und Schädlinge bereitzustellen. Grundlage für diesen Züchtungserfolg ist die genetische Veränderung von Pflanzen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wird die Veränderung in der genetischen Information vor allem durch Mutationszüchtung erreicht.

Bei dieser klassischen Züchtungsmethode werden Pflanzensamen Röntgenstrahlen oder mutagenen, also Mutation auslösenden, Chemikalien ausgesetzt. So werden Mutationen im Erbgut der Pflanzen hervorgerufen. Anschließend untersuchen ZüchterInnen, ob dabei neue interessante Pflanzeneigenschaften entstanden sind.

Ein Großteil unser heutigen Nahrungs- und Futtermittelpflanzen ist durch Mutationszüchtung entstanden – bis heute sind es 3.300 registrierte Pflanzensorten, darunter viele Obst-, Gemüse- und Getreidesorten sowie Hülsenfrüchte.

Bei dieser Züchtungsmethode entstehen zahlreiche Mutationen, die rein zufällig im Genom (Erbgut) der Pflanze verteilt und im Einzelnen nicht bekannt sind. In aufwendigen Verfahren müssen ZüchterInnen die Pflanzen mit den Mutationen erkennen, die zu den gewünschten Eigenschaften führen. Durch Kreuzungen mit unbehandelten Pflanzen wird anschließend versucht Mutationen zu entfernen, die unter Umständen negative Eigenschaften hervorrufen.

Im Gegensatz zur klassischen Züchtungsmethode können durch das seit einigen Jahren bekannte Genome Editing-Mutationen (zielgerichtete Veränderung von DNA) exakte Veränderungen im Pflanzenerbgut vorgenommen werden. Durch diese „molekulare Schere“ werden somit einzelne oder mehrere Gene ausgeschaltet.

Zu den bekanntesten Verfahren gehören die Zinkfingernukleasen, TALENs und CRISPR/Cas. Bei all diesen Verfahren erfolgt die Erkennung und Bindung an eine bestimmte DNA-Sequenz über eine spezifische Proteindomäne oder RNA-Sequenz und ein damit verbundenes Enzym (Nuklease) schneidet dann den DNA-Doppelstrang genau an dieser Bindestelle. Bei der Reparatur dieses DNA-Bruches können dann Mutationen entstehen. Allen Verfahren gemeinsam ist, dass sie durch zahlreiche Patente geschützt sind und daher nur bedingt für wirtschaftliche Anwendungen zur Verfügung stehen.

Ziel des BMBF geförderten Projektes „getLight“ ist es eine völlig neuartige Genome Editing-Methode basierend auf Nanopolymeren zu erschaffen. Die Nanopolymere bestehen aus Metallionen (z. B. elektrisch geladene Silberteilchen), die durch kurze DNA-Stränge stabilisiert werden.

Die in „getLight“ vorgeschlagene Genome-Editing-Technologie ist ein neuartiges, kostengünstiges, erfolgreiches, protein- und nukleasefreies Konzept mit geringem Risiko für Off-Target-Effekte. Das bedeutet, dass keine unerwünschten Mutationen beim Genome Editing hervorgerufen werden. Sie hat nicht nur für das Gebiet der Pflanzenzüchtung große Potenziale, sondern auch beim Menschen, um z.B. krebsverursachende Mutationen gezielt zu korrigieren und somit Tumorwachstum zu therapieren zu können.