Etablierung von Wasserlinsen als nachhaltiges heterologes System für die Produktion des antidiabetischen Flavonol-Glykosids Montbretin A (FlavoWeeds)

• Antragsteller: Gopal Singh, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Biochemie ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547989757

Pflanzen produzieren eine vielfältige Palette an biologisch aktiven Sekundärmetaboliten mit enormem pharmazeutischem Potenzial. Oftmals akkumulieren diese Metaboliten nur in geringen Mengen in den natürlichen Ausgangspflanzen, und ihre chemische Synthese ist herausfordernd und kostspielig. Um den industriellen Bedarf zu decken, werden diese Metaboliten daher oft in gentechnisch modifizierten heterologen Wirten produziert. Pflanzen gewinnen als photosynthetische Wirte an Bedeutung, weil sie die Grundgerüste vieler Sekundärmetaboliten endogen produzieren und nicht auf eine externe Kohlenhydratversorgung angewiesen sind. Nicotiana benthamiana ist der am häufigsten verwendete photosynthetische Wirt, jedoch ist die Pflanze giftig und häuft aufgrund ihres komplexen endogenen Stoffwechsels oft unerwünschte Nebenprodukte an. Ein photosynthetischer Wirt, das derzeit entwickelt wird, sind Wasserlinsen, weil sie schnell wachsen, essbar sind und einen einfacheren Stoffwechsel haben. In diesem Projekt möchten wir die vielwurzelige Wasserlinse (Spirodela polyrhiza) als neuen photosynthetischen Wirt fördern, indem wir in den Wasserlinsen Mini-Montbretin A (Mini-MbA) produzieren. Mini-MbA ist das erste bioaktive Zwischenprodukt des antidiabetischen Flavonoid-Glykosids Montbretin A (MbA). Die Entwicklung von MbA als Medikament ist zur Zeit erschwert, da die Ausgangspflanze Montbretia (Crocosmia x crocosmiiflora) nur geringe Mengen an MbA produziert. Da Wasserlinsen große Mengen an biochemisch eng verwandten Metaboliten akkumulieren, insbesondere Flavone und Anthocyane, sind sie optimale Produktionssysteme. Um Mini-MbA in Wasserlinsen zu produzieren, werden wir Gene für dessen Biosynthese in das Genom von S. polyrhiza einführen und darauffolgend den Biosyntheseweg durch eine "Push- and Pull" Strategie optimieren. Als erstes werden wir die Biosynthese von Myricetin einführen, das Kernflavonol von MbA. Basierend auf unserer phytochemischen Analyse müssen wir dazu in S. polyrhiza drei Gene aus Montbretia einführen, CcF3H, CcFLS und CcCYP2. Zweitens werden wir Gene für die Assemblierung von MbA einführen, um Myricetin in Mini-MbA umzuwandeln. Dafür werden drei Gene benötigt, CcUGT1, CcUGT2 und CcAT1. Drittens werden wir die Produktion von Mini-MbA steigern, indem wir konkurrierende Biosynthesewege in S. polyrhiza blockieren und den Fluss zu den Flavonolen erhöhen. Um konkurrierende Wege zu blockieren, werden wir in S. polyrhiza das Schlüssel-Enzym für die Biosynthese von Flavonen mittels CRISPR-Cas ausschalten. Zudem werden wir den MYB-Transkriptionsfaktor ausschalten, der den Fluss zu den Anthocyanen erhöht. Um den Fluss zu MbA zu verbessern, werden wir den Flavonolweg-aktivierenden MYB-Transkriptionsfaktor überexprimieren. Bei erfolgreicher Umsetzung dieser Strategien wird S. polyrhiza ein potenzielles Antidiabetikum effizient produzieren und sich als einen nachhaltigen, effizienten Wirt zur Produktion wertvoller Sekundärmetaboliten präsentieren.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle