COVID-19 hat vielen Menschen auf tragische Weise einen Crashkurs in der Bedeutung von Antikörpern beschert, Proteinen, die auf Krankheitserreger abzielen und vom hochentwickelten Immunsystem von Menschen und anderen Tieren produziert werden. Jetzt haben Forscher eines britischen Pflanzenforschungsinstituts einen Weg gefunden, Pflanzen mit einer auf Antikörpern basierenden Abwehr gegen eine bestimmte Bedrohung auszustatten, was möglicherweise die Schaffung von Pflanzen beschleunigt, die gegen jede Art von neu auftretenden Viren, Bakterien oder Pilzen resistent sind.
„Das ist ein wirklich kreativer und mutiger Ansatz“, sagt Jeff Dangl, Pflanzenimmunologe an der University of North Carolina, Chapel Hill. Roger Innes, Pflanzengenetiker an der Indiana University, Bloomington, fügt hinzu: „Das wäre viel, viel schneller als die herkömmliche Pflanzenzüchtung und hoffentlich viel effektiver.“
Die Strategie besteht darin, ein Alpaka oder einen anderen Kamelverwandten mit einem Protein des zu bekämpfenden Pflanzenpathogens zu inokulieren, die ungewöhnlich kleinen Antikörper, die sie produzieren, zu reinigen und den entsprechenden Genabschnitt für sie in ein pflanzeneigenes Immungen umzuwandeln. In einem heute beschriebenen Proof of Concept in Wissenschaftstattete dieser Ansatz eine Modellpflanzenart mit Immunität gegen eine manipulierte Version eines Virus aus, das Kartoffeln und verwandte Nutzpflanzen infiziert.
Landwirte verlieren jedes Jahr viele Milliarden Dollar durch Pflanzenkrankheiten, und neu auftretende Krankheitserreger stellen eine neue Bedrohung für die Ernährungssicherheit in den Entwicklungsländern dar. Pflanzen haben ihr eigenes mehrgleisiges Immunsystem entwickelt, das durch Zellrezeptoren in Gang gesetzt wird, die allgemeine Merkmale von Krankheitserregern erkennen, wie z. B. eine bakterielle Zellwand, sowie intrazelluläre Rezeptoren für Moleküle, die von bestimmten Krankheitserregern ausgeschieden werden. Wenn eine Pflanzenzelle diese Moleküle erkennt, kann sie ihren eigenen Tod auslösen, um den Rest der Pflanze zu retten. Aber Pflanzenpathogene entwickeln sich oft und umgehen diese Rezeptoren.
Ein langjähriger Traum in der Pflanzenbiotechnologie ist die Entwicklung von Designer-Krankheitsresistenzgenen, die so schnell produziert werden könnten, wie Krankheitserreger auftauchen. Ein Ansatz besteht darin, das Gen für einen pflanzlichen Immunrezeptor zu editieren und die Form des Proteins zu verändern, um ein bestimmtes pathogenes Molekül zu erkennen. Dies erfordert spezifische Kenntnisse sowohl des Rezeptors als auch seines Ziels auf dem Pathogen.
Stattdessen nutzten Sophien Kamoun, ein Molekularbiologe am Sainsbury Laboratory, und seine Kollegen ein tierisches Immunsystem, um die Rezeptormodifikationen vorzunehmen. Während einer Infektion mit einem neuen Krankheitserreger produzieren Tiere Milliarden subtil unterschiedlicher Antikörper und wählen schließlich diejenigen aus und produzieren sie in Massenproduktion, die den Eindringling am besten angreifen.
Kameliden, zu denen Alpakas, Kamele und Lamas gehören, sind Arbeitspferde für das Design von Antikörpern, da ihr Immunsystem kompakte Versionen, sogenannte Nanobodies, erstellt, die von kleinen Genen codiert werden. Als Beweis für das Prinzip der neuen Pflanzenverteidigungsstrategie wandte sich Kamouns Gruppe zwei Standard-Kameliden-Nanokörpern zu, die keine pathogenen Proteine erkennen, sondern zwei verschiedene fluoreszierende Moleküle, darunter eines namens grün fluoreszierendes Protein (GFP). Das Team wählte diese Nanobodies aus, um Testviren nachzuweisen, in diesem Fall ein Kartoffelvirus, das zur Herstellung der fluoreszierenden Proteine konstruiert wurde.
Jiorgos Kourelis, ein Postdoc in Kamouns Labor, fusionierte zuerst das Gen für den GFP-Targeting-Nanobody mit dem Gen für einen intrazellulären Immunrezeptor im TabakverwandtenNicotiana benthamiana. In einer Folgedemonstration wiederholte er das Kunststück mit dem Gen für den Nanokörper, der das andere leuchtende Protein erkennt. Es bedurfte mehrerer Versuche und Optimierungen, um Pflanzen zu schaffen, die aufgrund der modifizierten Rezeptoren keine Autoimmunreaktionen hervorriefen, was das Wachstum gehemmt und die Fruchtbarkeit beeinträchtigt hätte.
Als nächstes untersuchte Clémence Marchal, ebenfalls Postdoc in Kamouns Labor, wie gut Pflanzen mit Nanobody-verstärkten Rezeptoren die veränderten Kartoffelviren erkennen. Marchal fand heraus, dass die Pflanzen eine heftige Immunantwort zeigten – die Flecken selbstzerstörerischer Zellen waren mit bloßem Auge sichtbar – und fast keine Virusreplikation aufwiesen, während die Blätter von Kontrollpflanzen an einer Infektion litten.
Pflanzenzüchter „stapeln“ oft Resistenzgene in Pflanzensorten, um sie gegen mehrere Krankheiten gleichzeitig zu schützen. Im Experiment des Teams wurden Pflanzen, denen Gene für beide Arten von Nanokörpern gegeben wurden, gegen beide Viren geschützt. „Das Spannende an dieser Technologie ist, dass wir das Potenzial haben, Resistenzgene auf Bestellung herzustellen und mit einem Krankheitserreger Schritt zu halten“, sagt Kamoun.
Die Gruppe hat seitdem eine Pflanze entwickelt, um Nanokörper zu produzieren, die tatsächliche Krankheitserregermoleküle erkennen, obwohl Kamoun sich weigert, die Pflanze zu identifizieren, bevor das Team getestet hat, ob sie dem Angriff durch die Krankheitserreger standhält. Das Sainsbury Laboratory hat weltweit Patentanmeldungen für die Strategie eingereicht, einschließlich in Europa, wo der öffentliche Widerstand gegen die Gentechnik bedeutet, dass es unwahrscheinlich ist, dass sie in absehbarer Zeit kommerzialisiert wird. Aber Kamoun sagt, dass es kommerzielles Interesse von anderswo gibt.
Dangl und andere sind optimistisch, dass der Nanobody-Ansatz bei Nutzpflanzen funktionieren sollte. „Diese Technologie ist ein potenzieller Spielveränderer“, sagt er. Ksenia Krasileva, Genetikerin an der University of California, Berkeley, sagt, dass die Fusion von Nanokörpern mit pflanzlichen Immunrezeptoren Pflanzenwissenschaftlern ein riesiges biomedizinisches Wissen eröffnet. „Wir können jetzt auf all diese Forschungsergebnisse zurückgreifen und sie umsetzen, um Ernten zu retten. Wir haben hier einen perfekten Zusammenführungspunkt.“
