Kontrolle der pflanzlichen Genregulation für vorhersagbare Ergebnisse

• Antragsteller: Dr. Tobias Jores
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552448431

Die Verbesserung landwirtschaftlicher Praktiken ist von entscheidender Bedeutung für die Zukunft der Menschheit. Die Biotechnologie kann landwirtschaftliche Praktiken verbessern, indem Eigenschaften von Nutzpflanzen verändert oder schädliche Agrochemikalien durch umweltfreundliche, in Pflanzen produzierte Wirkstoffen ersetzt werden. Für diese Ansätze müssen mehrere Gene präzise gesteuert werden, um vorhersagbare Ergebnisse zu erzielen. Das ist momentan jedoch eine große Herausforderung. Wenn mehrere Gene zu größeren Genkassetten zusammengefügt werden, wird deren Expression unberechenbar, da regulatorische Elemente kontextabhängige Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus stützt sich die Pflanzenbiotechnologie auf nur eine Handvoll regulatorischer Elemente. Diese, oft bakteriellen oder viralen, Elemente führen zu kontinuierlicher und hoher Genexpression und beeinträchtigen damit das Pflanzenwachstum und die Ernteerträge. Der Mangel an programmierbaren und steuerbaren regulatorischen Elementen trägt zur Unberechenbarkeit der Genexpression bei. Wir werden unsere geteilte Expertise und die von uns etablierten experimentellen und rechnergestützten Strategien anwenden, um die pflanzliche Genexpression vorhersagbar zu machen. Wir werden die Erkenntnisse nutzen, um programmierbare und steuerbare Genkassetten zu konstruieren, die insekten-abwehrende Substanzen oder Insekten-Pheromone als umweltfreundliche Alternativen zu traditionellen Pestiziden produzieren. Diese Ziele werden wir erreichen, indem wir in drei Arbeitspaketen die Ursachen der beschriebenen Herausforderungen angehen: 1. Wir werden mittels Hochdurchsatzverfahren, maschinellem Lernen und in silico Evolution ein großes Repertoire programmierbarer und steuerbarer regulatorischer Elemente entwickeln. 2. Wir werden die Genexpression durch Isolierung und Stabilisierung kontrollieren und uns dabei auf jüngste Innovationen in der Impfstoffforschung stützen. 3. Wir werden, unter Verwendung von Gentechnik und einem neuen Einzelmolekül-Verfahren zur Analyse der Chromatinarchitektur, untersuchen, wie die Folge und Orientierung der einzelnen Gene, Torsionsstress und Nukleosomen-Positionierung die Expression in Genkassetten beeinflusst. Unsere Ergebnisse werden Genkassetten ermöglichen, in denen die Expression jedes Gens in Reaktion auf einen spezifischen Stimulus und auf einem festgelegten Niveau induziert wird. Unsere Bemühungen werden eine große Zahl programmierbarer und steuerbarer regulatorischer Elemente und Elementkombinationen für zukünftige Arbeiten im Bereich der synthetischen Pflanzenbiologie bereitstellen. Die Fähigkeit die pflanzliche Genexpression vorhersehbar zu "programmieren", wird Entwicklungssprünge bei der Manipulation von endogenen Signalwegen, die die pflanzliche Entwicklung und Stressreaktion kontrollieren, ermöglichen und damit zur gezielten Entwicklung widerstandsfähiger und ertragreicher Pflanzen beitragen, die in einem sich ändernden Klima gedeihen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, USA
• Partnerorganisation: Biotechnology und Biological Sciences Research Council (BBSRC); National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartnerinnen: Professorin Nicola Patron, Ph.D.; Professorin Christine Queitsch, Ph.D.