Neue Publikation zur Optogenetik in Nature Methods

29/06/2020

Ein Team um Matias Zurbriggen und Rüdiger Simon publiziert Arbeit zur Optogenetik.

Optogenetische Kontrolle von Pflanzenprozessen

Rocio Ochoa-Fernandez, Nikolaj B. Abel, Franz-Georg Wieland, Jenia Schlegel, Leonie A. Koch, J. Benjamin Miller, Raphael Engesser, Giovanni Giuriani, Simon M. Brandl, Jens Timmer, Wilfried Weber, Thomas Ott, Rüdiger Simon, Matias D. Zurbriggen

Die Optogenetik untersucht die Steuerung zellulärer Ereignisse mit Hilfe genetisch kodierter, lichtempfindlicher Schalter. Sie revolutioniert die Signal- und Stoffwechselforschung in der Biologie, indem sie eine räumlich-zeitliche, quantitative und reversible Kontrolle von Signal- und Stoffwechselprozessen ermöglicht. Dies spiegelt sich in der stetig steigenden Anzahl von Publikationen zur Optogenetik in Säugetier-, Hefe- und Bakteriensystemen wider, während Publikation im Pflanzenbereich aufgrund des Mangels geeigneter Werkzeuge stagnieren. Pflanzen benötigen Licht, um zu wachsen. Dies stellt eine experimentelle Herausforderung für die Implementierung optogenetischer Schalter dar, da diese unter Umgebungsbedingungen aktiviert werden.

Forscher*innen um Matias Zurbriggen und Rüdiger Simon an der HHU in Zusammenarbeit mit dem CIBSS der Universität Freiburg ist es nun gelungen, dieses Problem durch die Entwicklung von PULSE (Plant Usable Light-Switch Elements) zu lösen. Es ist das erste optogenetische Werkzeug, das die reversible Kontrolle der Genexpression von Pflanzen ermöglicht, die in normalen Tag-/Nachtzyklen wachsen. Der neuartige konzeptionelle Ansatz setzt die Konstruktion eines optogenetischen Schalters mit zwei Wellenlängen um, der einen durch blaues Licht regulierten Repressor mit einem durch rotes Licht induzierbaren Genexpressionsschalter kombiniert. Auf diese Weise ermöglicht PULSE die Aktivierung der Genexpression nur bei Beleuchtung mit monochromatischem roten Licht, während das System unter Umgebungslichtbedingungen inaktiv bleibt.

Wir konnten zeigen, dass PULSE die überlegenen Vorteile der Optogenetik in Pflanzen einführt. Das System ist vollständig reversibel und erreicht hohe dynamische Bereiche der Expression und zeitlichen Auflösung. Das System wurde erstmals bei Arabidopsis-Protoplasten zur präzisen Kontrolle endogener und synthetischer Signal- und Entwicklungswege angewendet. Die Kompatibilität mit anderen molekularen Präzisionsansätzen, konnte durch eine Kombination mit CRISPR/Cas9-basierten Technologien gezeigt werden. Schließlich zeigten wir auch in lebenden Pflanzen, dass PULSE angewendet werden kann, um physiologische Reaktionen zu manipulieren.

Die Arbeiten sind in das Forschungsfewld 3 innerhalb von CEPLAS eingebettet, dessen Ziel die reversible und orthogonale Kontrolle zellulärer Prozesse mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung ist. Diese ist der Schlüssel zum quantitativen Verständnis der Dynamik biologischer Signalnetzwerke, sowie zur Programmierung gewünschter Phänotypen. Wir denken daher, dass PULSE und die erweiterte Sammlung optogenetischer Werkzeuge in Zukunft die gezielte Veränderung und Untersuchung biologischer Prozesse in Pflanzen erleichtern wird. Das schließt Prozesse, wie Entwicklung, Wachstum, hormonelle Signaltransduktion und Stressreaktionen sowie die Entwicklung biotechnologischer Anwendungen ein.

Publikation

Artikel auf HHU-Website


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PULSE ist ein optogenetisches Werkzeug, das die Kontrolle der Genexpression bei Pflanzen ermöglicht, die unter normalen Tag-/Nachtzyklen wachsen. PULSE besteht aus zwei optogenetischen Schaltern mit unterschiedlicher Lichtempfindlichkeit: Gezielte Beleuchtung mit rotem Licht aktiviert die Genexpression, während weißes Umgebungslicht verwendet wird, um den Prozess umzukehren. Die Steuerung zellulärer Prozesse mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung ist der Schlüssel zum quantitativen Verständnis der Dynamik biologischer Signalnetzwerke und für die Entwicklung biotechnologischer Anwendungen. Grafik/ Animation von Rocio Ochoa-Fernandez, Institut für Synthetische Biologie, Universität Düsseldorf.

PULSE ermöglicht eine gezielte und reversible Steuerung der Genexpression in Pflanzen in Gegenwart von Umgebungslicht (Foto: Leonie-Alexa Koch, Institut für Synthetische Biologie, Universität Düsseldorf)

Rocio Ochoa-Fernandez, Institut für Synthetische Biologie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich