Joram Unterwegs

Alleine geht es nicht – Forschung an neuen CRISPR-Technologien an der Universität Potsdam

Von Joram Schwartzmann (Team: Joram unterwegs) · 02.01.2019

Franka, Florian und Mainak sind ein Team mit vielen Zielen: Sie wollen eine neue Technologie zur Genomeditierung mit CRISPR verbessern, ein molekulares Reportersystem zur Kontrolle ihres Erfolgs entwickeln und die Auswahl erfolgreich editierter Pflanzen beschleunigen. Diese hochgesteckten Ziele können sie nur als Team erreichen – jede und jeder kümmert sich um seine bzw. ihre Expertise und durch die Kombination ihrer Fähigkeiten erforschen sie neue Systeme zur Genomeditierung.

Genome Editing und klassische Transgen-Technologien sind heute oft noch eng verbunden. Das Gen für das Cas9 Protein, das in Kombination mit der guide RNA den essentiellen Schnitt an der Zielsequenz vollbringt, muss zuerst in das Genom integriert werden. Nach Abschluss seiner Aufgabe wird es jedoch nicht mehr benötigt. Hinzu kommen regulatorische Hürden, die transgene Sequenzen besonders behandeln.

Einen Weg, diese Notwendigkeit eines Transgens zu umgehen, bietet das direkte Einbringen des Cas9 Proteins in Kombination mit der guide RNA – gemeinsam bilden sie ein Ribonucleoproteinkomplex (RNP). Beide Teile werden außerhalb der Zelle vorbereitet und kombiniert. Die fertigen RNP werden dann in isolierte Pflanzenzellen, die Protoplasten, eingebracht, wo sie aktiv werden können. Die RNP editieren gezielt eine Zielregion im Genom und werden dann abgebaut. Zurück bleibt nur die editierte Stelle, die von einer spontanen Mutation nicht zu unterscheiden ist.

Die Vorteile sind zweifach: In vielen Ländern außerhalb der EU sind genomeditierte Pflanzen denen aus herkömmlicher Züchtung gleichgestellt – sofern sie keine transgenen DNA-Sequenzen beinhalten. Außerdem werden transgene Sequenzen fast immer zufällig irgendwo im Genom eingebaut. Das birgt das Risiko von unerwünschten Effekten und erhöht den Aufwand bei der Auswahl von Pflanzen. Ohne transgene Insertion wird nur die anvisierte Region im Genom verändert während andere Bereiche unangetastet bleiben.

Dr. Mainak Das Gupta ist ein PostDoc, der ursprünglich aus Indien stammt. Seit diesem Jahr arbeitet er in der Arbeitsgruppe von Prof. Bernd Müller-Röber an der Universität Potsdam. Mainak koordiniert dabei nicht nur das Forschungsprojekt ENTIRE (Enabling technologies for RNP-mediated genome editing), sondern auch die Arbeit von Florian Rösch und Franka Thiesen. Beide stehen am Anfang ihrer Promotionsarbeit und beschäftigen sich je mit einem Aspekt des Gesamtprojekts.

Franka bringt Erfahrungen mit dem Fluorescent-Activated Cell Sorting (FACS) mit in das Projekt. Bei diesem Verfahren werden einzelne Zellen in mikroskopisch kleinen Tröpfchen voneinander getrennt, mit einem Laser vermessen und je nach Messwert nach links oder rechts in Auffanggefäßen gesammelt. Dadurch lassen sich einzelne Zellen voneinander trennen – zum Beispiel welche mit modifiziertem Genom und welche ohne. Der große Vorteil ist, dass Zellen schon sehr früh analysiert werden können.

Üblicherweise werden Zellen nach der Transformation regeneriert, d.h. aus einzelnen Zellen werden wieder ganze Pflanzen gezogen. Dieser Prozess ist zeit- und ressourcenaufwendig, zumal nur ein Bruchteil der Zellen nach einer Transformation auch wirklich die gewünschte Veränderung trägt. Der Einsatz von FACS nach der Transformation ermöglicht es, schon früh einen Großteil der erfolglos transformierten Zellen auszusortieren.

Damit das Ganze funktioniert, braucht es ein Reportersystem für transformierte Zellen. Das ist die Aufgabe von Florian. Er nutzt ein modifiziertes CRISPR System, das gezielt an der editierten Stelle bindet, aber diese nicht schneidet. Stattdessen bindet das System einen fluoreszierenden Marker, sodass Zellen beginnen, im Laserlicht zu leuchten. Was einfach klingt, ist eine große Herausforderung. Wenige editierte Stellen müssen ein so starkes Signal liefern, dass eine klare Unterscheidung getroffen werden kann. Darum muss Florian eine Vielzahl von unterschiedlichen Fluoreszenzmarkern testen und auch die Bindung an die editierte Stelle muss optimiert werden.

Die verschiedenen Bereiche bauen aufeinander auf. Franka kann nur Zellen sortieren, wenn sie effizient markiert sind und Florian kann sein System nur gut testen, wenn Frankas Sortierung sicher und präzise funktioniert. Mainak trägt dazu seine Erfahrung in der Ausgestaltung wissenschaftlicher Projekte bei, hilft bei der Charakterisierung von veränderten Pflanzen und bei der Regeneration der sortierten Zellen. Das Projekt ENTIRE ist ein Musterbeispiel für die Notwendigkeit von Kollaboration und Austausch in der wissenschaftlichen Arbeit. In regelmäßigen Meetings präsentieren die drei ihre Ergebnisse anderen Forschenden und auch untereinander herrscht reger Austausch.

Wenn alles gut geht, werden Mainak, Franka und Florian einen bedeutenden Beitrag zum Werkzeugkasten der Genomeditierung leisten. Aber selbst wenn nicht – ihre Erkenntnisse werden sicherlich anderen dabei helfen, CRISPR und RNPs besser zu verstehen.

Wenn Ihr mehr über die Arbeit von Mainak erfahren wollt, könnt Ihr ihn auf Twitter kontaktieren – sein Handle ist @Mainakdg. Auch Professor Bernd Müller-Röber ist dort zu finden. Mehr über Genomeditierung in Pflanzen erfahrt ihr bei uns auf YouTube: erforschtCRISPR zeigt die Produktionen von Forschenden aus Deutschland zum Thema CRISPR & Co. Abonniert den Kanal, um nichts mehr zu verpassen.

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