Langfristiges Ziel unserer Forschung ist es, ein umfassendes (systemisches) Verständnis der Funktionen von Chloroplasten und Mitochondrien in der eukaryotischen Zelle zu gewinnen. Dabei interessiert uns insbesondere die Komplexität der molekularen Mechanismen, mit denen die Organellen in die genetischen und metabolischen Netzwerke der Pflanzenzelle eingebunden sind. Dazu untersuchen wir verschiedenste Aspekte der Zellbiologie, Biochemie und Genetik der Organellen, wie z.B. ihre Genexpression und deren Regulation auf allen Ebenen (Transkription, RNA-Metabolismus, Translation, Proteinstabilität sowie Biogenese und Assemblierung von Proteinkomplexen), aber auch grundlegende Fragen zur Vererbung, Genomstruktur und Evolution. Um neue experimentelle Zugänge zu diesen Fragen zu gewinnen, entwickeln wir Technologien und Werkzeuge, die es uns erlauben, Organellengenome gezielt genetisch zu verändern und Transgene einzubauen. Diese Technologien eröffnen auch neue Möglichkeiten für die Biotechnologie und die synthetische Biologie, die wir in einer Reihe an angewandten Forschungsprojekten verfolgen. Neben unserer Forschung an Pflanzen interessieren wir uns für die Genetik und Epigenetik eukaryotischer Algen, insbesondere der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii und der Rotalge Porphyridium purpureum. Auch für diese Forschungsbereiche entwickeln wir neue genetische und gentechnische Methoden, die in vielen biotechnologischen Projekten Anwendung finden.
Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf vier thematische Schwerpunkte, die auf vielfältige Weise miteinander verbunden sind:
1. Organellenbiologie
Wir analysieren (u.a. mit systembiologischen Methoden) die molekularen Mechanismen und die Regulationsmechanismen, die die Expression von Genen in den Genomen der Chloroplasten und Mitochondrien auf transkriptionaler, translationaler und post-translationaler Ebene kontrollieren. Darüber hinaus untersuchen wir die vielfältigen Prozesse, die die Genexpression in den Organellen mit der Genexpression im Zellkern präzise abstimmen. Weitere aktuelle Forschungsprojekte befassen sich unter anderem mit der Biogenese der Organellen, den Mechanismen der Assemblierung von Membranproteinkomplexen in Photosynthese und Atmungskette, der Organellenvererbung sowie der Evolution der Organellengenome.
Entdeckung von Umweltbedingungen und genetischen Faktoren, die die Vererbung von Chloroplastengenomen kontrollieren. Das Chloroplastengenom wird normalerweise rein mütterlich vererbt, hier sichtbar gemacht durch das Fehlen der Übertragung eines chloroplastenkodierten Resistenzgens mit dem Pollen im Tabak. Die genetische Ausschaltung einer Nuklease, die spezifisch das Chloroplastengenom in Pollenkörnern abbaut (dpd1-Mutante), oder Kältestress (10°C) resultiert in detektierbarer biparentaler (mütterlicher und väterlicher) Vererbung, während die Kombination der Umweltbedingung Kälte mit dem genetischen Faktor Nukleaseausschaltung (dpd1, 10°C; rechts) zu sehr häufiger biparentaler Vererbung führt (Nature Plants 2023, Nature Plants 2026).
Entdeckung von Umweltbedingungen und genetischen Faktoren, die die Vererbung von Chloroplastengenomen kontrollieren. Das Chloroplastengenom wird normalerweise rein mütterlich vererbt, hier sichtbar gemacht durch das Fehlen der Übertragung eines chloroplastenkodierten Resistenzgens mit dem Pollen im Tabak. Die genetische Ausschaltung einer Nuklease, die spezifisch das Chloroplastengenom in Pollenkörnern abbaut (dpd1-Mutante), oder Kältestress (10°C) resultiert in detektierbarer biparentaler (mütterlicher und väterlicher) Vererbung, während die Kombination der Umweltbedingung Kälte mit dem genetischen Faktor Nukleaseausschaltung (dpd1, 10°C; rechts) zu sehr häufiger biparentaler Vererbung führt (Nature Plants 2023, Nature Plants 2026).
2. Technologieentwicklung
Wir entwickeln Technologien und neue Werkzeuge, um Chloroplasten-, Mitochondrien- und Kerngenome gezielt genetisch zu verändern und Transgene in die Genome von Modellpflanzen, landwirtschaftlichen Nutzpflanzen und Algen einzubauen. In jüngster Zeit haben wir beispielsweise Transformationstechnologien für die Chloroplastengenome verschiedener Modellpflanzen und Nutzpflanzen sowie Methoden für die Genomeditierung in Mitochondrien entwickelt. Für die Algenforschung haben wir neuartige Expressionsstämme für die effiziente Transgenexpression bereitgestellt und nukleäre Plasmide für die Transgenexpression in Rotalgen entwickelt.
Entwicklung einer Technologie zur genetischen Transformation des Chloroplastengenoms der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Pflanzenlinien mit transgenen Chloroplastengenomen werden durch Beschuss von Zellmaterial mit DNA-beschichteten Goldpartikeln in einer Partikelkanone erzeugt (Nature Plants, 2019).
Entwicklung einer Technologie zur genetischen Transformation des Chloroplastengenoms der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Pflanzenlinien mit transgenen Chloroplastengenomen werden durch Beschuss von Zellmaterial mit DNA-beschichteten Goldpartikeln in einer Partikelkanone erzeugt (Nature Plants, 2019).
3. Biotechnologie und synthetische Biologie
Die Chloroplastentransformation, d.h. die Expression fremder Gene vom Chloroplastengenom, bietet zahlreiche attraktive Vorzüge gegenüber konventionellen transgenen Verfahren, die die Fremdgene in das Kerngenom der Pflanze einbauen. Dazu zählen beispielsweise die oft viel höheren Expressionsraten, die Möglichkeit, mehrere Transgene in synthetischen Operonkonstrukten gemeinsam zu exprimieren sowie die hohe ökologische Sicherheit durch den weitestgehenden Ausschluss chloroplastidärer Transgene von der Pollenverbreitung (aufgrund der uniparental mütterlichen Vererbung der Organellen). Wir nutzen die neuen Technologien und Werkzeuge, die wir in unserer Grundlagenforschung entwickeln, um neue Anwendungsgebiete in Biotechnologie und synthetischer Biologie zu erschließen. Aktuell verfolgen wir eine Reihe von Anwendungen mit dem Ziel, Pflanzen resistent gegen Krankheiten und Fraßschädlinge zu machen, neue Stoffwechselwege zu installieren (z.B. für Vitamine und Pharmazeutika) oder wertvolle Proteine (Impfstoffe, Enzyme) in den Chloroplasten zu produzieren. Darüber hinaus sind wir an Forschungsprojekten beteiligt (Kooperation mit AG Dunkelmann), die das Design und die Implementierung synthetischer Organellengenome zum Ziel haben.
Installation des Stoffwechselweges für die Biosynthese von Astaxanthin in den Chloroplasten der Tabakpflanze. Für das orange Pigment Astaxanthin gibt es einen großen und stetig wachsenden Bedarf. Aufgrund seiner extrem starken antioxidativen Wirkung (als sog. „Radikalfänger“) wird Astaxanthin als Nahrungsergänzungsmittel und in Kosmetika eingesetzt, die bei weiten größten Mengen werden jedoch für die Fischzucht benötigt, um z. B. die orange Fleischfarbe von Zuchtlachsen zu erhalten. Indem wir die Carotinoidbiosynthese im Chloroplasten anzapfen, können wir durch den Einbau eines synthetischen Operons, das die Enzyme der Astaxanthinsynthese kodiert, große Mengen des derzeit noch außerordentlich teuren Pigments sehr kostengünstig produzieren (Curr. Biol. 2017).
Installation des Stoffwechselweges für die Biosynthese von Astaxanthin in den Chloroplasten der Tabakpflanze. Für das orange Pigment Astaxanthin gibt es einen großen und stetig wachsenden Bedarf. Aufgrund seiner extrem starken antioxidativen Wirkung (als sog. „Radikalfänger“) wird Astaxanthin als Nahrungsergänzungsmittel und in Kosmetika eingesetzt, die bei weiten größten Mengen werden jedoch für die Fischzucht benötigt, um z. B. die orange Fleischfarbe von Zuchtlachsen zu erhalten. Indem wir die Carotinoidbiosynthese im Chloroplasten anzapfen, können wir durch den Einbau eines synthetischen Operons, das die Enzyme der Astaxanthinsynthese kodiert, große Mengen des derzeit noch außerordentlich teuren Pigments sehr kostengünstig produzieren (Curr. Biol. 2017).
4. Experimentelle Evolutionsforschung
Unser Forschungsprogramm im Bereich experimentelle Evolution verfolgt das Ziel, fundamentale Prozesse in der Evolution eukaryotischer Genome in Echtzeit zu beobachten und im Labor nachzuvollziehen. Aktuell untersuchen wir auf diese Weise den sogenannten endosymbiontischen Gentransfer (den Transfer von Genen aus den Chloroplasten- bzw. Mitochondriengenomen in das Kerngenom) sowie den horizontalen Gen- und Genomtransfer (den Austausch von genetischem Material zwischen verschiedenen Pflanzenarten). Wir nutzen die experimentellen Systeme, die wir dazu entwickelt haben, um die molekularen Mechanismen aufzuklären, die dem Gentransfer und der Genomevolution zugrunde liegen, und wir wenden sie an, um neue Wege in Pflanzenzüchtung, Biotechnologie und synthetischer Biologie zu eröffnen.
Evolution einer neuen Pflanzenart im Labor durch horizontalen Genomtransfer. Die neue Pflanzenart wurde durch Pfropfung einer hygromyzinresistenten Tabakpflanze (Nicotiana tabacum, eine krautige Pflanzenart mit 48 Chromosomen) auf einen kanamyzinresistenten Baumtabak (Nicotiana glauca, ein ausdauerndes Gehölz mit 24 Chromosomen) erzeugt. Nach der Vereinigung der beiden Pfropfpartner wurde die Pfropfstelle ausgeschnitten und einer Doppelselektion auf Hygromyzin- und Kanamyzinresistenz unterzogen. Regenerierende doppelt resistente Pflanzen besitzen 72 Chromosomen – exakt die Summe der Chromosomenzahlen der beiden Ausgangspflanzen. Die neue synthetische Pflanzenart, die wir Nicotiana tabauca genannt haben, ist also allopolypoloid und enthält die kompletten Chromosomensätze von zwei unterschiedlichen Pflanzenarten. Sie wächst zudem schneller als ihre beiden evolutionären Vorgänger und zeigt ansonsten viele Merkmale, die zwischen denen der beiden Ausgangsarten liegen (Nature 2014).
Evolution einer neuen Pflanzenart im Labor durch horizontalen Genomtransfer. Die neue Pflanzenart wurde durch Pfropfung einer hygromyzinresistenten Tabakpflanze (Nicotiana tabacum, eine krautige Pflanzenart mit 48 Chromosomen) auf einen kanamyzinresistenten Baumtabak (Nicotiana glauca, ein ausdauerndes Gehölz mit 24 Chromosomen) erzeugt. Nach der Vereinigung der beiden Pfropfpartner wurde die Pfropfstelle ausgeschnitten und einer Doppelselektion auf Hygromyzin- und Kanamyzinresistenz unterzogen. Regenerierende doppelt resistente Pflanzen besitzen 72 Chromosomen – exakt die Summe der Chromosomenzahlen der beiden Ausgangspflanzen. Die neue synthetische Pflanzenart, die wir Nicotiana tabauca genannt haben, ist also allopolypoloid und enthält die kompletten Chromosomensätze von zwei unterschiedlichen Pflanzenarten. Sie wächst zudem schneller als ihre beiden evolutionären Vorgänger und zeigt ansonsten viele Merkmale, die zwischen denen der beiden Ausgangsarten liegen (Nature 2014).
