Fluoreszenz

Pflanzen, die nachts leuchten: Das will die Gentechnik schaffen

Biolumineszierende Pflanzen aus dem Film «Avatar – Aufbruch nach Pandora.» Mit ihnen wäre die Welt nachts eine andere.

Biolumineszierende Pflanzen aus dem Film «Avatar – Aufbruch nach Pandora.» Mit ihnen wäre die Welt nachts eine andere.

Haben wir dereinst eine leuchtende Pflanze statt einer Nachttischlampe neben dem Bett? Russische Forscher versuchen, lumineszierende Pflanzen zu entwickeln.

Farbig leuchtende Alien-Flora erhellte in James Camerons Film «Avatar» die Nacht und erzeugte eine zauberhaft romantische Stimmung. Kinobesucher waren fasziniert von der mystischen Pflanzenwelt auf dem fremden Himmelskörper Pandora und erstellten im Internet sogar ein Lexikon der im Film vorkommenden Leuchtgewächse. Auf der Erde gibt es bislang keine lumineszierenden (leuchtenden) Pflanzen, sie könnten durch Gentechnik aber bald Realität werden.

Forscher der Universität Moskau haben die Gene, die für das nächtliche Leuchten bei Pilzen verantwortlich sind, entdeckt und bereits in Hefepilze eingebaut. Nun soll der Leuchtmechanismus auch in die Gene von Pflanzen eingefügt werden. Bisherige Experimente sind stets gescheitert oder haben nur sehr schwach leuchtende Pflanzen hervorgebracht.

Der letzte gross angelegte Versuch, leuchtende Pflanzen herzustellen, war das Glowing Plant Project aus Kalifornien, das 2017 grandios scheiterte. Dies trotz dem fulminanten Start, der in der Genforscher-Community Aufsehen erregte: Projektgründer Anthony Evans wollte über die Crowdfunding-Plattform Kickstarter 65 000 Dollar sammeln, um seine Forschung zu finanzieren und eine in der Nacht leuchtende Kressepflanze zu erschaffen. Spendern versprach er das Vorkaufsrecht auf die ersten genetisch manipulierten Leuchtgewächse, die er herstellen würde. So kamen innert kürzester Zeit fast 500 000 Dollar zusammen, Evans konnte mit dem Achtfachen des erwarteten Geldbetrags forschen.

Schwieriger als gedacht

Vor etwas mehr als einem Jahr musste Evans allerdings resignieren. Er schrieb seinen Spendern, der Einbau des Leuchtmechanismus sei zu kompliziert und das Geld aufgebraucht. Statt leuchtender Pflanzen will er jetzt genetisch verändertes Moos mit Patchouli-Duft herstellen. Sein Glowing Plant Project war von seriösen Wissenschaftern von Anfang an kritisch beäugt worden. Die Idee, dass das Lumineszenzsystem von einfach konstruierten Bakterien in mehrzellige, komplexere Organismen einfach so eingebaut werden kann, schien unrealisierbar.

Damals war erst das Leuchtsystem von einigen Bakterien bis ins genetische Detail bekannt. Versuche, diesen Mechanismus in Pflanzen einzubauen, mussten scheitern, denn Pflanzen und Bakterien sind nur sehr weit entfernte Verwandte. Die Mechanismen, mit denen die DNA in Pflanzen abgelesen wird, unterscheiden sich sehr stark von jenen in Bakterien. Man kann nicht einfach ein Gen, welches in einem simpel gebauten Lebewesen eine bestimmte Wirkung hat, in die DNA eines höheren Lebewesens versetzen und dann den gleichen Output erwarten. Dafür sind höhere Lebewesen wie Pflanzen zu komplex und die Mechanismen in der DNA zu wenig bekannt.

Der neue Ansatz der Forscher aus Moskau ist aber vielversprechend. Sie haben im letzten Dezember eine Studie publiziert, welche die genetischen Voraussetzungen und die genauen Vorgänge bei der Lumineszenz von Pilzen erklärt. Pilze sind komplexe Lebewesen – und mit Pflanzen näher verwandt als Bakterien. Die Wahrscheinlichkeit ist deshalb höher, dass ein von Pilzen kommendes Leuchtsystem in Pflanzen tatsächlich funktioniert.

Das von den Wissenschaftern neu entschlüsselte Pilzsystem hat gegenüber dem bakteriellen Mechanismus einige Vorteile: Die Ausgangssubstanz, die umgewandelt wird, um das Leuchten zu produzieren, ist Kaffeesäure. Diese ist von Natur aus in Pflanzen vorhanden und eignet sich darum besonders gut als Rohstoff für die Lichterzeugung. Ein weiterer Vorteil: Für das Leuchten wird Adenosintriphosphat (ATP), der Treibstoff der Zellen, nicht direkt verbraucht. Dieser Mechanismus hat damit energetisch weniger starke Nachteile wie jener von Bakterien, welcher direkt ATP verbraucht.

Forscher gründen Start-up

Einige der Forscher, die an der Studie mitgeschrieben haben, glauben, dass Gen-editierte Pflanzen mit dem neuen Lumineszenzsystem sehr schnell realisierbar sind. Sie haben ein Start-up gegründet, das innerhalb der nächsten zwei Jahre Zierpflanzen auf den Markt bringen will, die im Dunkeln leuchten. Wer das Start-up finanziert, ist unklar, die Wissenschafter forschen aber bereits an zwei Standorten in Russland und scheinen gut aufgestellt zu sein.

Der Weg zu lumineszierenden Bäumen, die Strassenlaternen ersetzten, dürfte aber noch weit sein. Die Lumineszenz, die mithilfe des Pilzsystems erreicht wird, ist immer noch relativ schwach und es ist unklar, wie überlebensfähig eine lumineszierende Pflanze tatsächlich ist. Das Nachtleuchten kostet viel Energie, eine solche Pflanze ist gegenüber einer nichtleuchtenden energetisch stark benachteiligt.

Trotzdem ist es denkbar, dass in naher Zukunft eine moderat leuchtende Pflanze als eine Art Leselampe entwickelt wird. Die Gentechnik macht momentan rasche Fortschritte und die Bereitschaft von Geldgebern, in solche Leuchtpflanzen zu investieren, ist zweifellos vorhanden. Nächtliche Beleuchtung auf biologischer Basis scheint damit nur noch eine Frage der Zeit zu sein.

Mit Fluoreszenz ists einfacher

Einfacher hingegen ist es, mittels Fluoreszenz Pflanzen und Tiere zum Leuchten zu bringen. Fluoreszierende Organismen leuchten nur, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden. Solche Tiere und Pflanzen kommen in der Natur vor, mithilfe von Genmanipulationen lassen sie sich aber auch künstlich erzeugen. In den letzten zwei Jahrzehnten erschufen Gentechniker alle Arten von fluoreszierenden Tieren, darunter Affen, Katzen und Hunde. Die Forscher müssen dafür nur ein einziges Gen ins Erbgut des Zieltieres schleusen – mit dessen Hilfe wird später zum Beispiel das Green Fluorescent Protein (GFP) hergestellt, welches die Fluoreszenz erzeugt.

Ursprünglich waren fluoreszierende Tiere als Indikatoren für die Wasserqualität erfunden worden. Forscher der Universität Singapur entwickelten Fische, die fluoreszieren, wenn die Wasserqualität schlecht ist. Sie bauten das GFP-Gen neben einen natürlichen Reinigungsmechanismus des Fischs in die DNA ein. Diese DNA-Region wird nur aktiv, wenn der Fisch den Mechanismus braucht, sich also in verschmutztem Wasser aufhält. Dann produziert er zusätzlich zu Reinigungsproteinen auch GFP und fluoresziert deshalb.

Dieses Prinzip wird in der höheren Genetik häufig eingesetzt, um die Lebewesen zu identifizieren, die ein künstlich eingefügtes Gen akzeptiert haben. Ein Beispiel: Affen sind immun gegen das FI-Virus, das bei Katzen eine Art Aids auslöst. Wissenschafter identifizierten ein Gen im Erbgut der Primaten, welches für die Resistenz verantwortlich sein könnte. Um die Wirksamkeit des Gens zu bestätigen, wollten es die Forscher in die DNA einer Katze einbauen und prüfen, ob die Katze dadurch auch resistent wird.

Da aber längst nicht jede genetisch bearbeitete Zelle ein Fremd-Gen akzeptiert, sind oft dutzende Versuche nötig, um nur eine einzige transgene (genetisch veränderte) Zelle herzustellen. Das Problem der Forscher: Sie wissen nicht, welche Zellen das Fremd-Gen aufgenommen haben und welche nicht. Genetische Untersuchungen sind teuer und aufwendig, effektive Verfahren werden erst entwickelt. Im konkreten Fall der Katze nutzten die Forscher deshalb das Lumineszenzsystem zur Identifizierung der erfolgreich bearbeiteten Zellen. Zum Resistenzgen, das sie einbauten, fügten sie das Lumineszenzgen hinzu. Folglich lumineszierten alle transgenen Embryos und die Forscher wussten, welche sie implantieren mussten. Der Nebeneffekt war, dass die so entstandenen Katzen fluoreszierten.

Nicht unumstritten

Die verantwortlichen Wissenschafter befeuern mit dem Erschaffen dieser Tiere eine umstrittene Auseinandersetzung. Es ist zwar undenkbar, dass solche Tiere in der Schweiz erzeugt werden, in asiatischen Ländern und den USA werden aber bereits fluoreszierende Fische als Haustiere gehalten und als Sushi sogar gegessen. Angesichts dieser Tatsachen ist es dringend nötig, dass wir uns Gedanken machen, ob und wo wir der Gentechnik Grenzen setzen wollen.

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