• Skip to main content
  • Skip to secondary menu
  • Skip to primary sidebar

Lebensmittel- & Biotechnologie

Das Fachportal für Lebensmittelindustrie und Biotechnologie

  • Abonnement
  • Impressum
  • Welkin Media Verlag
Startseite » Stoffwechseländerungen in Pflanzen live erleben: Forscher nutzen neues Verfahren der „in-vivo-Biosensorik“

Stoffwechseländerungen in Pflanzen live erleben: Forscher nutzen neues Verfahren der „in-vivo-Biosensorik“

14. August 2020 von Helmut Mitteregger

Vom Stoffwechsel in Pflanzen hängt nicht nur fast alles Leben auf der Erde, sondern hängen auch unsere Ernährung und unsere Gesundheit ab. Um zu verstehen, wie diese Stoffwechselprozesse in Pflanzen funktionieren, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) unter Beteiligung der Universität Bonn Schlüsselmechanismen der Regulation des Energiestoffwechsels. Das neue Verfahren der „in-vivo-Biosensorik“ erlaubt es ihnen nun erstmals, in Echtzeit zu verfolgen, wie sich Umweltveränderungen auf den zentralen Stoffwechsel in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand, auswirken.

Vom Stoffwechsel in Pflanzen hängt nicht nur fast alles Leben auf der Erde, sondern hängen auch unsere Ernährung und unsere Gesundheit ab. Um zu verstehen, wie diese Stoffwechselprozesse in Pflanzen funktionieren, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) unter Beteiligung der Universität Bonn Schlüsselmechanismen der Regulation des Energiestoffwechsels. Das neue Verfahren der „in-vivo-Biosensorik“, also an der lebenden Pflanze, erlaubt es ihnen nun erstmals, in Echtzeit zu verfolgen, wie sich Umweltveränderungen, zum Beispiel Licht, Temperatur, Trockenheit, Überflutung oder Schädlingsbefall, auf den zentralen Stoffwechsel in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand, auswirken. Die Studie ist als Vorab-Publikation in der Fachzeitschrift „The Plant Cell“ erschienen.

Hintergrund und Methodik

Das Forscherteam hat einen genetisch-codierten Sensor in die Pflanzen eingebaut, um zentrale Stoffwechselprozesse im wahrsten Sinne des Wortes ‚sichtbar‘ zu machen. „Da Pflanzen äußerlich sehr statisch wirken, müssen sie innerhalb ihrer Zellen Meister der Flexibilität und Anpassung sein – und zwar blitzschnell. Diese Dynamik können wir nun live in der lebenden Pflanze beobachten“, sagt Dr. Janina Steinbeck, Erstautorin der Studie. Für die bildliche Darstellung und Messung des Stoffwechselprozesses in der Pflanze nutzten die Forscher die in-vivo-Biosensorik. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, mit dem die Forscher in Echtzeit lebende Organismen, Gewebe oder Zellen untersuchen.
Der Biosensor besteht zum einen aus einem biologischen Erkennungselement, einem Protein, das ein Molekül spezifisch bindet – zum anderen um ein Auslese-Element, einem Protein, das die Bindung am Erkennungselement in ein Lichtsignal übersetzt. Ursprünglich wurde der nun verwendete Biosensor für den Einsatz in Nervenzellen entwickelt. Die Wissenschaftler haben diesen Sensor für den Einsatz in der Pflanze weiterentwickelt.
Der Sensor kann die Moleküle NAD⁺ und NADH direkt binden und wieder abgeben. Das sogenannte NAD-Redox-System ist für die Elektronenübertragung im Stoffwechsel fast aller Lebewesen von zentraler Bedeutung. Der Sensor besteht aus einem blaugrünen und einem rot fluoreszierenden Protein, die je nach NAD-Status in der Zelle ihre Helligkeit ändern. Das Auslesen der Sensoren in lebenden Zellen erfolgt über ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop. „Für uns ist dieses neue Verfahren eine methodische Errungenschaft, denn wir erhalten erstmals ein direktes Verständnis von Stoffwechselprozessen exakt dort wo sie in der Zelle passieren. Beispielsweise kam die Beobachtung, dass sich ein so zentraler Prozess wie der NAD-Stoffwechsel bei der Immunreaktion tiefgreifend verändert, für uns völlig unerwartet“, erläutert Prof. Dr. Markus Schwarzländer, Leiter der Arbeitsgruppe „Plant Energy Biology“ der WWU.
Bislang war es lediglich möglich, diese Art von Stoffwechselprozessen zu untersuchen, indem die Wissenschaftler Extrakte von den Pflanzen gewonnen haben, um sie mit biochemischen Methoden zu analysieren. Hierbei werden jedoch Zellen und Gewebe zerstört. Zudem ist es nicht mehr nachvollziehbar, wo genau sich die Stoffwechselveränderungen vollzogen haben. Jetzt können die Forscher dynamische Änderungen des Redoxstoffwechsels, der unter anderem der Energie-Bereitstellung in den Zellen dient, in den einzelnen Zellen bis hin zu ganzen Organen von intakt lebenden Pflanzen verfolgen. Dieses Vorgehen ermöglichte es, eine erste NAD-Redox-Landkarte der ganzen Pflanze zu erstellen sowie Redox-Dynamiken bei Licht-Dunkel-Übergängen, Veränderungen des Zuckerstatus‘, der Zellatmung und der Sauerstoffzufuhr zu beobachten.

Sensor für NAD in Pflanzen zur Untersuchung der Photosynthese

Fast zeitgleich mit der Veröffentlichung in The Plant Cell erschien eine Studie von Forschern aus Hongkong in der Zeitschrift Nature Communications. Dort wurde ein anderer Sensor für NAD in Pflanzen eingebaut und zur Untersuchung der Photosynthese verwendet. Die Ergebnisse der beiden Studien stützen sich gegenseitig. „Die Informationen, die wir durch das neue Verfahren gewonnen haben, können zukünftig eine Schlüsselrolle bei der Züchtung von Pflanzen, die unsere Nahrungsmittelerzeugung nachhaltiger machen und dazu beitragen die Effekte des Klimawandels abzumildern, spielen. Aber auch die direkte Früherkennung von Stress bei Nutzpflanzen in der Landwirtschaft ist möglich“, unterstreicht Markus Schwarzländer.

Beteiligte Institutionen und Förderung

An der Studie waren neben der WWU, die Universitäten Bonn, Oxford in England, Padua in Italien, Viçosa in Brasilien und Saarbrücken beteiligt. Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

Originalpbublikation:
Steinbeck J, Fuchs P, Negroni YL, Elsässer M, Lichtenauer S, Stockdreher Y, Feitosa-Araujo E, Niemeier JO, Kroll JB, Humberg C, Smith E, Mai M, Nunes-Nesi A, Meyer AJ, Zottini M, Morgan B, Wagner S, Schwarzländer M (2020). In Vivo NADH/NAD+ Biosensing Reveals the Dynamics of Cytosolic Redox Metabolism in Plants. Plant Cell. DOI: 10.1105/tpc.20.00241

Junger Keimling der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) der in seinen Zellen den fluoreszenten Biosensor trägt. Die Falschfarbenabbildung stellt den Redoxzustand des NAD Pools in den Zellen und Geweben dar. Regenbogenskala von blau (oxidierter NAD Pool). | Abbildung: Plant Energy Biology Lab/Janina Steinbeck

Filed Under: Forschung, News Tagged With: Energiestoffwechsel, genetisch-codierter Sensor, in-vivo-Biosensorik, Laser-Scanning-Mikroskop, NAD-Redox-System, Stoffwechsel in Pflanzen, Stoffwechseländerungen, Stoffwechselprozesse, The Plant Cell, WWU

Weitere Nachrichten

Spatenstich für das Labor der Zukunft

Takeda hat den Spatenstich für den technisch und ökologisch optimierten Neubau "Labor der Zukunft" am Standort Wien Aspern-Seestadt gesetzt. Ab 2026 werden dort 250 Forscher an innovativen Therapien für Krankheiten arbeiten, für die es bislang keine … [Weiterlesen...] about Spatenstich für das Labor der Zukunft

Zutrittskontrollsystem von Telenot jetzt noch leistungsfähiger

Telenot macht sein innovatives Zutrittskontrollsystem hilock 5000 ZK mit dem aktuellen Update noch leistungsfähiger und komfortabler. Das System stellt dank höchster Flexibilität, Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit eine maximal effiziente … [Weiterlesen...] about Zutrittskontrollsystem von Telenot jetzt noch leistungsfähiger

Infineon eröffnet System-Kompetenzzentrum in Innsbruck

Die Infineon Technologies Austria AG hat Mitte September ihr System-Kompetenzzentrum in Innsbruck eröffnet. In dem sechsten Infineon Standort in Österreich werden Demonstratoren für leistungsstarke und kleinste Mikroelektronik-Systeme entwickelt. … [Weiterlesen...] about Infineon eröffnet System-Kompetenzzentrum in Innsbruck

PSA, die sich selbst desinifziert

Ein an der Rice University entwickeltes Material dekontaminiert seine Oberfläche in wenigen Sekunden und bietet neue Möglichkeiten bei PSA. Mithilfe von elektrischem Strom erwärmt es seine Außenfläche schnell auf über 100 Grad Celsius. Auf der … [Weiterlesen...] about PSA, die sich selbst desinifziert

Primary Sidebar

Aktuelle Ausgabe

Welkin Media News

Aktuelle Nachrichten aus unseren anderen Online-Portalen Österreichische Chemie Zeitschrift und Österreichische Kunststoffzeitschrift.

  • SIKORA mit Qualitätskontrolle auf der FAKUMA
    on 4. Oktober 2023 by Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    SIKORA präsentiert auf der FAKUMA Lösungen für die Qualitätskontrolle in der Rohr- und Schlauch- sowie Kunststoffindustrie. So können Besucher vor Ort z.B. kleine Mengen an Granulaten, Flakes oder Prüfplatten mit dem IPURITY CONCEPT V auf […]

  • FAKUMA: Lösungen für Kunststoff-Recycling
    on 4. Oktober 2023 by Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Rapid Granulier-Systeme präsentiert auf der Fakuma neue und individuelle Lösungen für das Recycling in Spritzgussprozessen. Im Mittelpunkt stehen die Kunststoffschneidmühlen Rapid OneCUT 100 und Rapid 150 in neuen Versionen, die in verschiedenen […]

  • Your best choice – Netstal’s neuer Markenauftritt
    on 4. Oktober 2023 by Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Unter dem Claim "Your best choice" präsentiert Netstal seinen neuen Markenauftritt - inklusive überarbeitetem Logo und Website. Die Werte führend, verlässlich und wertschöpfend bilden den Kern der Unternehmensmarke. Das zeitgemässe Corporate […]

  • Standardnahe Lösungen mit bewährter Engel-Technologie
    on 4. Oktober 2023 by Kerstin Sochor (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Get connected – unter diesem Motto vernetzt Engel auf der Fakuma Expertinnen und Experten mit Maschinenlösungen und den entsprechenden Technologien. Auf dem Engel Messestand werden dazu unter anderem eine Automotive- und eine Medical-Anwendung […]

  • REPETER: lebensmitteltaugliches rPET-Granulat
    on 4. Oktober 2023 by Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Mit REPETER bietet Dentis Recycling lebensmitteltaugliches rPET an, hergestellt mit Starlinger recoSTAR PET Bottle-to-Bottle-Recyclinganlagen. Mit einer Gesamtproduktionskapazität von 6,6 t/h beläuft sich der Jahresausstoß der beiden Anlagen auf […]

  • Betriebshygiene: LANXESS kooperiert mit Tennants
    on 4. Oktober 2023 by Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    LANXESS hat mit der Tennants GmbH eine strategische Kooperation für ganzheitliche Lösungen im Bereich der Betriebshygiene vereinbart. Diese sieht vor, das Biozid-Portfolio des Spezialchemie-Konzerns mit der Adenosintriphosphat (ATP)-Technologie […]

  • Kelvin
    on 3. Oktober 2023 by Lexikon (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Kelvin ist die SI-Basiseinheit der Temperatur, welche vor allem in Naturwissenschaften und der Technik verwendet wird. Die Einheit definiert sich heuzutage über die Bolzmanngleichungen, und ist somit unabhängig von Material oder Norm. Das Kelvin […]

  • Zentrifuge
    on 3. Oktober 2023 by Lexikon (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Die Zentrifuge ist ein technisches Gerät, das unter Ausnutzung der Massenträgheit arbeitet; die Funktionsweise beruht auf der Zentrifugalkraft, die aufgrund einer gleichförmigen Kreisbewegung des zu zentrifugierenden Gutes zustande kommt. Der […]

  • REVAMP: Cloud-basierte, fortschrittliche Softwarelösung
    on 2. Oktober 2023 by Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Die Softwarelösung REVAMP von Emerson vereinfacht den Übergang zu einer DeltaV Automatisierungsarchitektur mittels Cloud Computing und KI. REVAMP automatisiert bis zu 70 % der Systemkonfiguration. Sie reduziert Fehler und manuelle […]

  • Hot Water TPE auf der FAKUMA
    on 2. Oktober 2023 by Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    KRAIBURG TPE zeigt auf der FAKUMA 2023 seine neuen TPE-Compounds für anspruchsvolle Trink- und Heißwasseranwendungen. Im Rahmen seiner Kreislaufprodukte zeigt der Hersteller auch die richtungsweisenden TPE-Lösungen mit erneuerbaren und recycelten […]

Copyright © 2023 · Welkin Media Verlag