Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben eine Biosensor-Technologie entwickelt, die die Visualisierung und Echtzeitverfolgung der Ribonukleinsäure (RNA)-Aktivität in lebenden Pflanzenzellen ermöglicht. Diese innovative Methode kombiniert eine molekulare Spleißtechnik mit einem fluoreszierenden Markerprotein.
Dieser neue Ansatz ermöglicht es Forschern, Veränderungen in der RNA und Genexpression in Echtzeit zu erkennen und zu überwachen. Er bietet ein wertvolles Werkzeug zur Verbesserung von Bioenergie- und Nahrungspflanzen sowie zur Identifizierung unerwünschter Pflanzenmodifikationen, Krankheitserreger und Schädlinge. RNA, ein Signalmolekül, übersetzt den DNA-Code in funktionelle Komponenten wie Proteine, die für das Pflanzenwachstum und die Stressreaktion entscheidend sind.
Der von ORNL entwickelte Biosensor überwacht kontinuierlich den RNA-Gehalt in lebenden Pflanzen und ersetzt damit die traditionelle Methode der Gewebeentnahme, -verarbeitung und -analyse. Laut Xiaohan Yang, dem Projektleiter am ORNL, bietet der Biosensor "Echtzeit-Einblicke, wie sich Zellen auf molekularer Ebene unter veränderten Umweltbedingungen wie Dürre oder Krankheit umprogrammieren."
Der Biosensor funktioniert, indem er ein Ribozym – ein RNA-Molekül, das das RNA-Spleißen katalysiert – in zwei inaktive Teile spaltet. Diese Teile werden dann an Leit-RNA-Sequenzen gebunden, die an ein spezifisches RNA-Ziel innerhalb der Pflanzenzelle binden. Wenn die Leit-RNA ihr Ziel findet, verbinden sich die Ribozym-Teile wieder und aktivieren ein Reporterprotein, das sichtbare Fluoreszenz erzeugt. Diese Fluoreszenz zeigt den Ort und die Häufigkeit der RNA an. Die Funktionalität des Biosensors wurde durch den Nachweis eines Virus, der eine Tabakpflanze infiziert, und durch die Aufdeckung der Genaktivität in *Arabidopsis* demonstriert. Das System kann die Genaktivität von einzelnen Zellen bis zur Gewebeebene in der gesamten Pflanze, einschließlich Blättern, Wurzeln, Blüten und Stängeln, erkennen.
Paul Abraham, Mitautor und Manager des DOE Secure Ecosystem Engineering and Design Science Focus Area (SEED SFA), wies auf den Nutzen des Biosensors bei der Beobachtung hin, wann und wo eine Pflanze beginnt, sich als Reaktion auf Bedingungen wie Dürre umzuprogrammieren. Jerry Tuskan, Mitautor und Direktor des DOE Center for Bioenergy Innovation, fügte hinzu, dass die Vielseitigkeit des Biosensors von der verbesserten funktionellen Genomik bis hin zu praktischen Anwendungen wie dem Screening der Pflanzenleistung zur Früherkennung von Krankheitserregern oder anderen Stressreaktionen reicht.
Die Arbeit von ORNL zielt darauf ab, Innovationen für heimische, erschwingliche biobasierte Kraftstoffe, Chemikalien und Materialien zu fördern und baut auf seiner Geschichte der biologischen und genetischen Forschung auf. Paul Langan, stellvertretender Laborleiter, betonte, dass die Entdeckung der Boten-RNA in den 1950er Jahren bei Biologen und Chemikern des ORNL ihren Ursprung hatte. Das Projekt wurde von der SEED SFA und dem Center for Bioenergy Innovation mit Mitteln aus dem Programm für biologische und ökologische Forschung des DOE Office of Science unterstützt.