Die Genschere hat in den letzten Jahren in der Pflanzenzüchtung große Bedeutung erlangt und ist inzwischen an vielen Kulturarten etabliert. In unserer Forschung widmen wir uns weniger beachteten Kulturarten, wie den Leguminosen, bspw. der Erbse, und loten hier das Potenzial der Technologie aus.

Aktuell arbeiten wir an der Reduktion der Raffinose Oligosaccharide (RFO). Zu den Raffinose Oligosacchariden gehören die Raffinose, Stachyose und Verbascose. Im Dünndarm werden diese Zucker nahezu nicht resorbiert, da die α-Galactosidbindung von den Verdauungsenzymen der Monogastrier nicht gespalten werden kann. Vor allem Leguminosen können hohe Konzentrationen an Raffinose Oligosacchariden enthalten. Setzt man nun bei der Ernährung von Schweinen auf einheimische Leguminosen, können zu hohe RFO-Konzentrationen zu Problemen führen. Um mehr Leguminosen in die Ernährung der Tiere zu implementieren, kann durch gezielte Mutation des Raffinose Synthase Gens mittels CRISPR/Cas eine Reduktion der RFO-Gehalte erreicht werden. Dazu wurde die Raffinose Synthase in Erbse gezielt mutiert. Weitere Untersuchungen werden zeigen, ob sich diese Mutation reduzierend auf den RFO-Gehalt der Erbsen auswirkt. Darüber hinaus müssen mögliche negative Auswirkungen auf die Pflanzenentwicklung durch einen verringerten RFO-Gehalt überprüft werden.

Pflanzen sind hervorragend zur Herstellung von Proteinen geeignet und haben im Vergleich zu tierischen Zellkultursystemen erhebliche Vorteile, wie einen geringeren Prozessaufwand mit geringeren Kosten, teilweise eine intensivere Immunantwort für in Pflanzen produzierte Impfstoffe sowie keine Gefahr für eine Kontamination mit humanen Pathogenen. Sie können aber im Gegensatz zu Bakterien notwendige Modifikationen von Proteinen durchführen. Darüber hinaus sind die so produzierten Proteine teilweise ohne Kühlung langfristig beispielsweise in Pflanzensamen lagerbar und eine orale Applikation von Medikamenten wird erleichtert.

Tierische Zellkulturen wachsen in komplexen Medien und werden in vielen Bereichen der Medizin, Pharmazie aber auch für die Herstellung von Fleisch aus Zellkulturen benötigt. Dabei bildet in gängigen Zellkulturmedien fetales Kälberserum (FKS) die Basis, da es eine Vielzahl verschiedener Proteine und Wachstumsregulatoren beinhaltet. Nachteile sind neben den ethischen Problemen vor allem die Ungleichheit der Chargen und die Kontamination mit tierischen/humanen Pathogenen.

In Zusammenarbeit mit dem Startup Innocent Meat produzieren wir ausgewählte Proteine und Wachstumsregulatoren für die tierische Zellkultur in Pflanzen, um zukünftig FKS freie Zellkulturmedien bereitstellen zu können. Die Produktion erfolgt zunächst transient in Nicotiana benthamiana. In diesem System testen wir die grundsätzliche Machbarkeit und treffen auch schon eine Vorauswahl für ein geeignetes Produktionskompartiment. Die stabile Expression kann dann in verschiedenen Pflanzen, wie Erbse oder Kartoffel erfolgen.

Die Bekämpfung von Schadnagern ist ein andauerndes und komplexes Problem. Schadnager können in der Landwirtschaft zu hohen Verlusten führen, sowohl in der Tierproduktion, als auch bei der Lebensmittelerzeugung aus Pflanzen, sowie direkt auf dem Feld. Auf der einen Seite verfügen Schadnager über eine hohe Reproduktivität, auf der anderen Seite werden etablierte Bekämpfungsmethoden unwirksam durch Resistenzen der Schadnager gegen herkömmliche Gifte, bzw. aufgrund ihrer Intelligenz lernen sie bestimmte Fallen zu meiden. Deshalb sollte eine Bekämpfung immer aus mehreren Strategien bestehen.

Eine Strategie ist die Fertilität der Nagetiere zu reduzieren indem eine Autoimmunantwort gegen körpereigene Proteine der Reproduktionsorgane ausgelöst wird, die sogenannte Immunokontrazeption. Potenzielle Targets sind Proteine der Zona Pellucida, sowie bestimmte Proteine des Spermiums. In Pflanzen lassen sich diese Proteine in geeigneten Mengen produzieren, isolieren und mit einer entsprechenden Formulierung als Impfstoff zur Immunokontrazeption einsetzen. Um spezifisch gegen ausgewählte Spezies wie Ratten oder Mäuse vorgehen zu können, werden nur bestimmte, arteigene Abschnitte der Proteine eingesetzt. Diese können dann in essbaren Pflanzenteilen produziert und oral verabreicht werden.

Cyanophycin (CGP) ist ein Biopolymer bestehend aus einer Aspartat-Kette und Arginin-Seitenketten. Es wird natürlicherweise in vielen Cyanobakterienarten als Speicherprotein gebildet. CGP ist in vielerlei Hinsicht ein interessantes Molekül. Es wirkt auf Grund seiner stark negativen Ladung antibakteriell, ist nicht immunogen, kann nach saurer Hydrolyse als Polyaspartat Ausgangsstoff für verschiedene Biopolymere sein und nach Spaltung in Dipeptide weckt es Interesse als Futtermittel.

Die Cyanobakterien benötigen für die Produktion nur ein einziges Protein, die Cyanophycinsynthetase, die die Aspartat-Arginin Dipeptide zu langen Ketten miteinander verknüpft. Wir haben die Cyanophycin Synthetase in verschiedenen Pflanzen eingebracht. Die Pflanzen konnten bis max. 10 % der Trockenmasse Cyanophycin produzieren. Derzeit werden verschiedene Tabaksorten hinsichtlich ihrer Eignung zur Cyanophycinproduktion evaluiert und Freisetzungsexperimente zur Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Produktion ausgewertet.