Da die Nachfrage nach Nahrungsmitteln aufgrund der wachsenden und sich verändernden Bevölkerung auf der ganzen Welt steigt, war die Steigerung der Pflanzenproduktion ein wichtiges Ziel für Forscher in den Bereichen Landwirtschaft und Nahrungsmittelsysteme, die daran arbeiten, dass in den kommenden Jahren genügend Nahrungsmittel vorhanden sind, um den globalen Bedarf zu decken. Eine MIT-Forschungsgruppe, die sich dieser Herausforderung stellt, ist das Voigt-Labor in der Abteilung für Biotechnik unter der Leitung von Christopher Voigt, dem Daniel IC Wang-Professor für fortgeschrittene Biotechnologie am MIT.

In den letzten vier Jahren hat das Wasser- und Lebensmittelsystemlabor von Abdul Latif Jameel (J-WAFS) Voigt mit zwei J-WAFS Seed Grants finanziert. Mit dieser Unterstützung arbeiten Voigt und sein Team an einer bedeutenden und langjährigen Forschungsherausforderung: Getreidepflanzen so umwandeln, dass sie ihren eigenen Stickstoff binden können.

Chemischer Dünger: wie er hilft und schmerzt

Stickstoff ist ein wichtiger Nährstoff, der das Wachstum von Pflanzen ermöglicht. Pflanzen wie Hülsenfrüchte können sich durch eine symbiotische Beziehung zu Bakterien, die Stickstoff aus der Luft binden und in den Boden einbringen können, der von den Pflanzen über ihre Wurzeln aufgenommen wird, selbst versorgen. Andere Arten von Pflanzen - einschließlich wichtiger Nahrungspflanzen wie Mais, Weizen und Reis - sind normalerweise auf zugesetzte Düngemittel für Stickstoff angewiesen, einschließlich Gülle, Kompost und chemischer Düngemittel. Ohne diese sind die Pflanzen, die wachsen, kleiner und produzieren weniger Getreide. 

Über 3.5 Milliarden Menschen sind heute auf chemische Düngemittel angewiesen. Achtzig Prozent der chemischen Stickstoffdünger werden heute nach dem Haber-Borsch-Verfahren hergestellt, bei dem Nitrilgas in Ammoniak umgewandelt wird. Während Stickstoffdünger im letzten Jahrhundert die landwirtschaftliche Produktion angekurbelt hat, ist dies mit erheblichen Kosten verbunden. Erstens ist der Haber-Borsch-Prozess selbst sehr energie- und fossilbrennstoffintensiv, was ihn angesichts eines sich schnell ändernden Klimas nicht nachhaltig macht. Zweitens führt die Verwendung von zu viel chemischem Dünger zu einer Stickstoffverschmutzung. Das Abfließen von Düngemitteln verschmutzt Flüsse und Ozeane und führt zu Algenblüten, die das Leben im Meer ersticken. Die Beseitigung dieser Verschmutzung und die Bezahlung der Schäden für die öffentliche Gesundheit und die Umwelt kosten die Vereinigten Staaten jährlich 157 Milliarden US-Dollar. Drittens gibt es bei chemischen Düngemitteln Probleme mit Gerechtigkeit und Zugang. Diese Düngemittel werden auf der Nordhalbkugel von großen Industrienationen hergestellt, in denen Postash, ein Hauptbestandteil, reichlich vorhanden ist. Die Transportkosten sind jedoch hoch, insbesondere in Länder der südlichen Hemisphäre. Für Landwirte in ärmeren Regionen führt diese Barriere zu niedrigeren Ernteerträgen.

Diese ökologischen und gesellschaftlichen Herausforderungen stellen große Probleme dar, doch die Landwirte müssen immer noch Stickstoff einsetzen, um die notwendige landwirtschaftliche Produktivität aufrechtzuerhalten, um den weltweiten Nahrungsmittelbedarf zu decken, insbesondere da die Bevölkerung und der Klimawandel die Nahrungsmittelversorgung der Welt belasten. Düngemittel sind und bleiben ein wichtiges Instrument. 

Aber könnte es einen anderen Weg geben?

Die bakterielle Verträglichkeit von Chloroplasten und Mitochondrien

Dies ist die Frage, die Forscher im Voigt-Labor bei der Entwicklung stickstofffixierender Getreidekörner antreibt. Die Strategie, die sie entwickelt haben, besteht darin, auf die spezifischen Gene in den stickstofffixierenden Bakterien abzuzielen, die symbiotisch mit Hülsenfrüchten arbeiten nif Gene. Diese Gene bewirken die Expression der Proteinstrukturen (Stickstoffase-Cluster), die Stickstoff aus der Luft binden. Wenn diese Gene erfolgreich in Getreidekulturen übertragen und exprimiert werden könnten, wären keine chemischen Düngemittel mehr erforderlich, um den benötigten Stickstoff hinzuzufügen, da diese Kulturen selbst Stickstoff gewinnen könnten.

Diese gentechnische Arbeit wurde jedoch lange Zeit als große technische Herausforderung angesehen. Das nif Der Weg ist sehr groß und beinhaltet viele verschiedene Gene. Das Übertragen eines großen Genclusters ist selbst eine schwierige Aufgabe, aber dieser spezielle Weg ist noch komplexer. Das nif Gene in Mikroben werden durch ein präzises System miteinander verbundener genetischer Teile gesteuert. Um die Stickstofffixierungsfähigkeiten des Signalwegs erfolgreich zu übertragen, müssen die Forscher nicht nur die Gene selbst übertragen, sondern auch die zellulären Komponenten replizieren, die für die Steuerung des Signalwegs verantwortlich sind.

Dies führt zu einer weiteren Herausforderung. Die Mikroben, die für die Stickstofffixierung in Hülsenfrüchten verantwortlich sind, sind Bakterien (Prokaryoten). Wie Eszter Majer, Postdoc im Voigt-Labor, der seit zwei Jahren an dem Projekt arbeitet, erklärt, „ist die Genexpression in Pflanzen völlig anders , die Eukaryoten sind. " Zum Beispiel organisieren Prokaryoten ihre Gene in Operons, ein genetisches Organisationssystem, das in Eukaryoten wie den Tabakblättern, die der Voigt in seinen Experimenten verwendet, nicht existiert. Reengineering der nif Der Weg in einem Eukaryoten ist gleichbedeutend mit einer vollständigen Systemüberholung.

Das Voigt-Labor hat eine Problemumgehung gefunden: Anstatt auf die gesamte Pflanzenzelle abzuzielen, zielen sie auf Organellen in der Zelle ab - insbesondere auf die Chloroplasten und die Mitochondrien. Mitochondrien und Chloroplasten haben beide einen alten bakteriellen Ursprung und lebten einst unabhängig voneinander außerhalb eukaryotischer Zellen als Prokaryoten. Vor Millionen von Jahren wurden sie als Organellen in das eukaryotische System eingebaut. Sie sind insofern einzigartig, als sie ihre eigenen genetischen Daten haben und auch viele Ähnlichkeiten mit modernen Prokaryoten beibehalten haben. Infolgedessen sind sie ausgezeichnete Kandidaten für den Stickstoffasetransfer. Majer erklärt: „Es ist viel einfacher, von einem Prokaryoten zu einem Prokaryoten-ähnlichen System zu wechseln, als den gesamten Weg neu zu konstruieren und zu versuchen, zu einem Eukaryoten zu wechseln.“

Über die Genstruktur hinaus weisen diese Organellen zusätzliche Eigenschaften auf, die sie zu geeigneten Umgebungen für die Funktion von Stickstoffase-Clustern machen. Nitrogenase benötigt viel Energie, um zu funktionieren, und sowohl Chloroplasten als auch Mitochondrien produzieren bereits große Mengen an Energie - in Form von ATP - für die Zelle. Nitrogenase ist auch sehr sauerstoffempfindlich und funktioniert nicht, wenn sich zu viel davon in ihrer Umgebung befindet. Chloroplasten in der Nacht und Mitochondrien in Pflanzen haben jedoch einen niedrigen Sauerstoffgehalt, was sie zu einem idealen Ort für den Betrieb des Stickstoffase-Proteins macht.

Ein internationales Expertenteam

Während das Team einen Ansatz zur Transformation eukaryotischer Zellen entwickelte, war sein Projekt immer noch mit hochtechnischen biologisch-technischen Herausforderungen verbunden. Dank der J-WAFS-Zuschüsse konnte das Voigt-Labor mit zwei Spezialisten an ausländischen Universitäten zusammenarbeiten, um kritisches Fachwissen zu erhalten.

Einer war Luis Rubio, ein außerordentlicher Professor für Biochemie der Stickstofffixierung an der Polytechnischen Universität Madrid, Spanien. Rubio ist Experte für Stickstoffase und stickstoffinspirierte Chemie. Die Transformation mitochondrialer DNA ist ein herausfordernder Prozess, daher entwickelte das Team ein Stickstoffase-Genabgabesystem unter Verwendung von Hefe. Hefen sind leicht zu konstruierende eukaryotische Organismen und können zur Bekämpfung der Mitochondrien verwendet werden. Das Team fügte die Stickstoffase-Gene in die Hefekerne ein, die dann mithilfe von Peptidfusionen auf Mitochondrien gerichtet werden. Diese Forschung führte zum ersten eukaryotischen Organismus, der die Bildung von Stickstoffase-Strukturproteinen demonstrierte.

Das Voigt-Labor arbeitete auch mit Ralph Bock zusammen, einem Chloroplasten-Experten des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Deutschland. Er und das Voigt-Team haben große Fortschritte in Richtung des Ziels gemacht, Getreidepflanzen mit Stickstoff zu fixieren. Die Einzelheiten ihrer jüngsten Erfolge bei der Weiterentwicklung der Feldfruchttechnik und der Förderung der Stickstofffixierungsarbeiten werden in den kommenden Monaten veröffentlicht.

Den Traum weiter verfolgen

Das Voigt-Labor konnte mit Unterstützung von J-WAFS und der daraus resultierenden unschätzbaren internationalen Zusammenarbeit bahnbrechende Ergebnisse erzielen und uns durch stickstofffixierendes Getreide der Unabhängigkeit von Düngemitteln näher bringen. Sie machten Fortschritte bei der Ausrichtung der Stickstoffase auf Mitochondrien und konnten ein vollständiges NifDK-Tetramer - ein Schlüsselprotein im Stickstoffase-Cluster - in Hefe-Mitochondrien exprimieren. Trotz dieser Meilensteine ​​muss noch mehr Arbeit geleistet werden.

„Das Voigt-Labor investiert in die Weiterentwicklung dieser Forschung, um dem Traum von der Herstellung stickstoffbindender Getreidepflanzen immer näher zu kommen“, sagt Chris Voigt. Mit diesen Meilensteinen haben diese Forscher große Fortschritte gemacht und werden die Verwirklichung dieser transformativen Vision, die die Getreideproduktion weltweit revolutionieren könnte, weiter vorantreiben.