Agrarwelt
Mit der Genschere gegen Viren

Mit der Genschere gegen Viren

Seit ihrer Erfindung hat die neue Genome-Editing-Methode CRISPR/Cas in der Pflanzenforschung eine rasante Karriere hingelegt. Robert Hoffie (27) „crispert“ mit Wintergerste, um sie virusresistent zu machen. Warum er dabei dieses Verfahren verwendet und wann seine Gerste auf den Markt kommen könnte, haben wir den Wissenschaftler gefragt.

Nein, das nicht. Ich habe mich schon immer für Pflanzen und Pflanzenzüchtung interessiert und darum auch das Studium der Pflanzenbiotechnologie gewählt. Ich bin am Südrand der Magdeburger Börde aufgewachsen, in der die Landwirtschaft eine wichtige Rolle spielt. Auch das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben war damals für mich schon nah, und ich war dort fast jedes Jahr beim Tag der offenen Tür zu Besuch. Auch Grundlagenforschung, zum Beispiel zur Pflanzenphysiologie, hat mich schon immer begeistert. Wer weiß, vielleicht würde ich ohne CRISPR/Cas heute Aspekte der Photosynthese untersuchen. Aber es kam ja anders: Nach meinem Master arbeite ich jetzt für meine Doktorarbeit wieder mit CRISPR.

Ich möchte Wintergerste resistent gegen das Gelbmosaikvirus machen. Dieses Virus befällt über Bodenpilze die Wurzeln und kann dazu führen, dass die Pflanze in ihrer Entwicklung stark gehemmt wird oder sogar abstirbt. Das bedeutet Ertragseinbußen und damit ein großes Risiko für landwirtschaftliche Betriebe.

Weil ich damit präziser und direkter arbeiten kann als mit jedem anderen Verfahren. Die Voraussetzung ist aber, dass die Eigenschaft, die ich verändern will, durch den Eingriff an einer oder zumindest weniger Stellen im Genom beeinflusst werden kann. Bei einer Resistenz ist das häufig der Fall. Mit CRISPR kann man mit molekularbiologischen Mitteln gezielt ein bestimmtes Gen außer Funktion setzen – bei meinem Projekt mit der Folge, dass die Gerstenpflanze resistent wird. Damit ahme ich eine in der Natur spontan im Erbgut – also in der pflanzlichen DNA – entstandene Mutation nach. Eben diese Veränderung wurde bei einer asiatischen Gersten-Landrasse entdeckt, die unempfindlich gegen das Virus ist. Denselben Effekt bilde ich lediglich in einer für das Virus anfälligen Gerste nach.

Zunächst setze ich sozusagen ein DNA-Molekül im Labor zusammen. Es enthält Informationen zur Herstellung der Genschere und für ein „Navigationssystem“, das die Genschere an die vorherbestimmte Position im Genom der Gerste lotsen soll. Dieses DNA-Molekül lassen wir dann von einem Bakterium in Gersten-Zellen übertragen. Aus diesen regenerieren wir durch Zellkultur wieder neue Gerstenpflanzen. Mithilfe der eingebrachten Informationen erzeugen die Pflanzenzellen dann selbst die Genschere (ein Protein) und das Navigationssystem. Wenn das Protein die Ziel-DNA durchgeschnitten hat, reparieren betroffene Zellen diese Stelle von selbst. In einigen Fällen kommt es dabei zu Reparaturfehlern, die das Erbgut minimal verändern. Die einfachste Variante ist, dass das Ziel-Gen dann nicht mehr funktioniert. Genau das war unser Ziel, um die Gerste resistent gegen das Gelbmosaikvirus zu machen. Und wir haben es erreicht: Unsere Gerste ist bereits resistent.

Wir haben mit Laborpflanzen wissenschaftlich gezeigt, dass es funktioniert. Wenn wir den Prozess jetzt mit Sorten wiederholen, die landwirtschaftlich angebaut werden, könnten in etwa zwei Jahren auch diese Sorten resistent sein. Dann müssten sie jedoch erst noch im Feld getestet werden. Aber nach dem Urteil des Europäischen Gerichtshofs vom Juli 2018 fällt das Verfahren jetzt unter die Richtlinie zu gentechnisch veränderten Organismen (GVO), wie auch die anderen sogenannten Genome Editing-Methoden, die alle zufällige Mutationen nachahmen, wie sie in der Natur ständig vorkommen.

Die Bedingungen für die Anwendung unserer Forschung haben sich damit geändert: Man muss jetzt einen Freisetzungsantrag für Feldversuche stellen. Ein GVO-Zulassungsprozess für eine entsprechende neue Sorte dauert sehr lange: nach bisherigen Erfahrungen zehn bis 15 Jahre. Das ist aus Sicht von uns Forschern das Problem mit dem Urteil: es führt zu einem langwierigen, extrem teuren und aufwendigen Zulassungsprozess. Dabei entsteht durch die induzierten Punktmutationen kein neuartiges Risiko für Mensch und Umwelt, das einen solchen aufwendigen Prozess rechtfertigen würde.

Nein, die Züchtung wird auch in Zukunft mit allen Methoden arbeiten, die zur Verfügung stehen. Die klassische Kreuzungszüchtung etwa wird immer der Kernbestandteil bleiben, wenn es um komplexe Eigenschaften geht, die sich auf sehr vielen Gene verteilen. Auch wenn es um die Erzeugung neuer genetischer Diversität geht, bleiben Kreuzungen das A und O. Zum Beispiel, um exotisches Genmaterial aus weit entfernten Verwandten in Kulturpflanzen einzukreuzen. Auch das „Smart Breeding“, also die gezielte Nutzung molekularer Marker im Züchtungsprozess, wird es weiter geben. Bereits im sehr frühen Entwicklungsstadium von Pflanzen, zum Beispiel in Keimlingen, lassen sich damit gewünschte Merkmalsmuster überprüfen. Genome Editing ist eine sehr sinnvolle Ergänzung dafür, aber eben nur eines der Werkzeuge, mit denen die Pflanzenzucht arbeitet. Wo man diese neuen Verfahren aber einsetzen kann, werden die Züchtungsprozesse oft sehr effizient, kostengünstig und deutlich schneller.

Ja, sie können einen Beitrag leisten. Je mehr Möglichkeiten und Instrumente uns zur Verfügung stehen, desto besser können wir auf die aktuellen Herausforderungen reagieren. Auch die Pflanzenforschung selbst wird durch neue Entwicklungen wie etwa Genomsequenzierungen immer schneller und umfassender. Uns steht heute so viel Wissen zur Verfügung wie nie zuvor. Die Frage ist also, ob wir auch alle uns zur Verfügung stehenden Methoden nutzen können oder wollen, um dieses Wissen für die Züchtung und damit für die Landwirtschaft nutzbar zu machen. Und wenn es gelingt, Pflanzen hervorzubringen, die weniger Stickstoffdünger oder Pflanzenschutz und damit auch weniger Traktorfahrten übers Feld benötigen, entlastet dies den Boden, das Oberflächen- und Grundwasser sowie die Atmosphäre. Landwirtschaft ist ein sehr komplexes System, zu dem die Pflanzenzüchtung und -forschung einen großen Beitrag leisten kann.

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Robert Hoffie

Kurzbiografie Robert Hoffie

Robert Hoffie studierte Pflanzenbiotechnologie an der Leibniz Universität Hannover und arbeitete bereits für seine Master-Arbeit mit dem Genome Editing-Verfahren CRISPR/Cas9. Seit November 2016 ist der 27-Jährige Doktorand am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben. Im Rahmen des vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts IdeMoDeResBar arbeitet er mit Hilfe von CRISPR an einer Resistenz gegen die Gerstengelbmosaikvirose für die Pflanzenzüchtung. Als @ForscherRobert ist Robert Hoffie bei Twitter aktiv und engagiert sich für eine sachgerechte Diskussion über Gentechnik.

Crispr/Cas

Diese Abkürzung steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats und beschreibt eigentlich eine Art Immunsystem von Bakterien. Daraus wurde eine spezielle Methode des Genome Editing entwickelt. Der Kern des Systems ist das Cas-Molekül, ein Protein, das als „Genschere“ agiert, indem es die DNA von Pflanzen an einem bestimmten Gen durchtrennt. Das Protein findet das gewünschte Gen nur, da es ein Abbild des DNA-Abschnitts, an dem es den Schnitt ansetzen soll, mit sich führt. Sobald es die DNA durchgeschnitten hat, repariert die Zelle diese Stelle von selbst wieder. Durch kleine Reparaturfehler verändert sich das Erbgut. Somit lassen sich an einer präzise vorhersagbaren Position im Genom Mutationen erzeugen.