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Metabolic Engineering in Tabakzellen

Nornicotin-Synthese
Alkaloid-Synthese in Tabak-BY-2 Zellen. Interessant ist Nornicotin, das als Wirkstoff gegen Alzheimer diskutiert wird.
Hintergrund

Der pflanzliche Sekundärstoffwechsel produziert zahlreiche Inhaltsstoffe von medizinischer Bedeutung. Da diese nur in bestimmten Zelltypen oder Geweben erzeugt werden, ist die Extraktion aus natürlichen Quellen ebenso wie die biotechnologische Erzeugung in Fermentern nicht sehr erfolgreich. Wir verfolgen daher eine biomimetische Strategie, womit man verschiedene Zelltypen miteinander koppelt um sozusagen “eine technisches Kopie eines Gewebes” zu erzeugen. Letztendlich wollen wir “metabolisches Lego” spielen, um verschiedene Inhaltsstoffe kombinatorisch erzeugen zu können.

Projektthema

In Kooperation mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (Gruppe Dr. Guber) wurde ein mikrofluidisches Zweikammersystem entwickelt und für Tabak-BY-2 adaptiert. Das entsprechende Patentverfahren läuft und im Rahmen des BMBF Programms “Neue Bioökonomie” geht es nun darum, gemeinsam mit der Firma Phyton Biotech (Ahrensburg), die Idee des “metabolischen Lego” an einem Beispiel zu zeigen. Als Modell für diesen proof-of-principle haben wir den Alkaloidstoffwechsel von Tabak ausgesucht, der so umgesteuert werden soll, dass die Zellen am Ende Nornicotin erzeugen, ein Wirkstoff mit einer erst vor kurzem entdeckten starken Wirkung gegen Alzheimer.

Fragestellung

Im Vorfeld wurden schon zwei metabolische Module entwickelt. Im ersten Modul ist ein frühes Schlüsselenzym der Alkaloidsynthese überexprimiert, im zweiten Modul ein Cytochrome-P450 Enzym, das Nornicotin synthetisiert. Untersuchungen der Inhaltsstoffe mithilfe von HPLC zeigen, dass die beiden Module functional sind. Das Problem ist nun jedoch, dass diese Produkte in der Zelle zurückgehalten werden. Im Rahmen des Projekts soll nun geprüft werden, ob man dieses Problem durch einen physikalischen Trick überwinden kann: mithilfe von extreme starken (1-30 kV/cm), aber extrem kurzen (10-50 ns) elektrischen Feldern kann man in Pflanzenzellen kurzzeitige Membranporen induzieren, die sich innerhalb weniger Minuten wieder schliessen. Die Zellen überleben das recht gut und teilen sich weiterhin. Es soll nun geprüft werden, ob man durch diese Behandlung in den beiden metabolischen Modulen einen Export des Produkts ins Kulturmedium erzeugen kann. Diese Behandlungen werden bei unserem Kooperationspartern, dem Labor von Dr. Wolfgang Frey am Institut für Hochenergieimpuls- und Mikrowellentechnologie (IHM) behandelt, die zellbiologischen Analysen und die Messung der Alkaloide über HPLC finden am Botanischen Institut statt.

Betreuung

Fatemeh Rajabi. Ansprechpartner am IHM: Dr. Christian Gusbeth.

Plätze

  • 1-2 Master (als Forschungsmodul, Projektmodul und Masterarbeit zu dieser Thematik möglich)
  • 1 Bachelor (als Modul 8 mit anschließender Bachelorarbeit)

Publikationen

Ziegler J, Facchini PJ (2008) Alkaloid Biosynthesis: Metabolism and Trafficking. Annu Rev Plant Biol 59, 735-769 – pdf