Grundzüge des Projekts:
Ziel unserer Laborarbeit ist es ein "proof of concept" unseres Signalweges zu erstellen und dessen Funktionstüchtigkeit zu beweisen. Dafür werden wir unseren Signalweg zuerst in Pichia pastoris, einer Hefenart und anschließend in Pflanzen der Art Arabidopsis thaliana exprimieren. Wir haben uns für Hefe als Modellorganismus entschieden, da es sich um einen eukaryontischen Organismus handelt und daher besser für ein „proof of concept“ eines Mechanismus der in Pflanzen exprimiert werden soll geeignet ist. Für Arabidopsis thaliana haben wir uns entschieden, da wir hier die Samen und somit das Genom der nächsten Generation durch eine Transformation mit Hilfe des Agrobacteriums bleibend verändern können. Außerdem wachsen diese Pflanzen sehr schnell, was aufgrund des straffen Zeitplans ein großer Vorteil ist.
Wie funktioniert unser Signalweg ??
Damit wir die Produktion eines Zielproteins mit Hilfe eines Signales steuern können, benötigen wir eine Art Ein- und Ausschalter, oder auch toggle-switch genannt. Dieser erlaubt es durch einmaliges Aktivieren durch ein Signal die kontinuierliche Produktion bzw. die kontinuierliche Blockierung der Produktion eines Proteins. Der toggle-switch funktioniert dabei so, dass sobald ein Signal an einem spezifischen Rezeptor andockt, dieser die Produktion eines spezifischen Repressorproteins auslöst, der dann wiederum das Ablesen eines bestimmten Bereiches des Genoms verhindert. Dabei wird beim Einschalten des Schalters das Off-Gene blockiert, wodurch das On-Preperssorprotein, das an das On-Gene bindet nicht mehr produziert wird. Beim Ausschalten bewirkt das Binden eines anderen Signals an den dafür gedachten Rezeptor die Produktion des Off-Prefressorproteins, das an das On-Gene bindet und dieses damit blockiert. Damit wird die Produktion des Proteins verhindert und die Pflanze ist sozusagen ausgeschaltet. Das tolle an diesem System ist, dass man die Produktion eines Proteins nur einmal ein- bzw. ausschalten muss und dieser Zustand dann nachher selbstständig beibehalten wird.
Als Signale wären verschiedenste Stoffe denkbar. Wichtig dabei ist, dass sie keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt (Boden, Gewässer, Tiere) haben und auch nicht an natürlich in der Pflanze enthaltenen Rezeptoren andocken, damit keine unerwünschten Prozesse in der Pflanze ausgelöst werden. In unserem Fall haben wir uns für Kupfer und Ethanol entschieden. Wichtig dabei anzumerken ist, dass die Mengen die man versprühen müsste sehr gering sind, da sie lediglich eine Signalwirkung haben.
Wie könnte man Robocrop verwenden ??
Wir möchten mit diesem toggle-switch eine Art Plattform erstellen, mit der die Produktion einer Vielzahl von verschiedensten Proteinen in Pflanzen gesteuert werden kann. Das für das gewünschte Protein codierende Gen wird an die richtige Stelle im toggle-switch gesetzt wodurch es dann ein- und ausschaltbar wird. Es wäre auch möglich mehrere verschiedene Proteine einzubauen und den toggle-switch zu einer Art Kassette auszubauen, wodruch dann mit verschiedenen Signalen spezifische Proteine gesteuert werden können.
Anwendungsmöglichkeiten gibt es viele.
Jedes Jahr gibt es Ernteausfälle bei vielen Obstbauern, da die Bäume aufgrund der immer früher auftretenden hohen Temperaturen im Frühjahr zu blühen beginnen. Wenn es dann jedoch noch einmal Frost gibt, frieren die Blüten ab und der Baum trägt dann im Sommer keine Früchte mehr. Dieses Phänomen wird durch den fortschreitenden Klimawandel zusätzlich verstärkt. Wenn man jedoch den Zeitpunkt der Blüte mit Hilfe eines Schalters steuern könnte, könnten solche Ernteausfälle verhindert werden.