DE102007053992A1 - Spectrally enhanced and nitrogen autotrophic photosynthesis - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft transgene photosynthetische Organismen mit erweitertem Absorptionsspektrum und Stickstoffautotrophie, die optional salzresistent und/oder zur Abscheidung von Silikat aus dem Medium befähigt sind und/oder einen erhöhten Kohlenwasserstoffgehalt aufweisen, sowie ihre Verwendung zur Gewinnung von Biotreibstoffen, und von stickstoffhaltiger Biomasse, insbesondere zur Versorgung von Tieren und Menschen mit essentiellen Aminosäuren, zur Sequestration von CO2 aus der Atmosphäre, zur Amelioration schlechter Böden, zur Aufbereitung von Abwässern, zur Expression von Nutzproteinen, zum Abbau hydrophober Verunreinigungen in natürlichen Lebensräumen und zur Stechmückenbekämpfung.The invention relates to transgenic photosynthetic organisms having an extended absorption spectrum and nitrogen autotrophy, which are optionally salt-resistant and / or capable of separating silicate from the medium and / or have an increased hydrocarbon content, and their use for the production of biofuels, and of nitrogen-containing biomass, in particular for Supply of animals and humans with essential amino acids, sequestration of CO2 from the atmosphere, amelioration of poor soils, treatment of effluents, expression of beneficial proteins, degradation of hydrophobic contaminants in natural habitats and mosquito control.
Description
Die Erfindung betrifft transgene photosynthetische Organismen mit erweitertem Absorptionsspektrum und Stickstoffautotrophie, die optional salzresistent und/oder zur Abscheidung von Silikat aus dem Medium befähigt sind und/oder einen erhöhten Kohlenwasserstoffgehalt aufweisen, sowie ihre Verwendung zur Gewinnung von Biotreibstoffen, und von stickstoffhaltiger Biomasse, insbesondere zur Versorgung von Tieren und Menschen mit essentiellen Aminosäuren, zur Sequestration von CO2 aus der Atmosphäre, zur Amelioration schlechter Böden, zur Aufbereitung von Abwässern, zur Expression von Nutzproteinen, zum Abbau hydrophober Verunreinigungen in natürlichen Lebensräumen und zur Stechmückenbekämpfung.The invention relates to transgenic photosynthetic organisms having an extended absorption spectrum and nitrogen autotrophy, which are optionally salt-resistant and / or capable of separating silicate from the medium and / or have an increased hydrocarbon content, and their use for the production of biofuels, and of nitrogen-containing biomass, in particular for Supply of animals and humans with essential amino acids, sequestration of CO 2 from the atmosphere, amelioration of poor soils, treatment of effluents, expression of beneficial proteins, degradation of hydrophobic contaminants in natural habitats and mosquito control.
Von den fünf wichtigsten Elementen des Lebens – Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Phosphor (P) – sind die ersten drei den photosynthetischen Primärproduzenten, die imstande sind, organische Verbindungen unter Ausnutzung der Lichtenergie aus Kohlendioxid und Wasser aufzubauen, in einer Menge verfügbar, die nur durch die zur Verfügung stehende Lichtenergie beschränkt wird. Stickstoff hingegen ist in der großen Mehrzahl der Lebensräume ein limitierender Faktor, da molekularer Stickstoff (N2) sehr reaktionsträge ist und nur unter erheblichem Aufwand in eine zur Synthese organischer Verbindungen geeignete Form überführt werden kann, was i. A. durch Reduktion zu Ammoniak (NH3) geschieht, der im nächsten Schritt dann mit einem geeigneten kohlenstoffhaltigen Grundgerüst verbunden wird, in erster Linie durch Umsetzung mit Glutamat zu Glutamin.Of the five most important elements of life - carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N) and phosphorus (P) - the first three are the primary photosynthetic producers capable of exploiting organic compounds To build up light energy from carbon dioxide and water, available in an amount that is limited only by the available light energy. Nitrogen, on the other hand, is a limiting factor in the vast majority of habitats, since molecular nitrogen (N 2 ) is very inert and can only be converted into a form suitable for the synthesis of organic compounds at considerable expense, which i. A. by reduction to ammonia (NH 3 ), which is then connected in the next step with a suitable carbon-containing skeleton, primarily by reaction with glutamate to glutamine.
Der erwähnte Aufwand besteht zum einen in dem hohen Energiebedarf der Reduktionsreaktion als solcher, zum anderen in der chemischen Komplexität und Labilität der als "Nitrogenasen" bezeichneten Enzyme, die eine solche Reaktion katalysieren können. Typischerweise enthalten Nitrogenasen Eisen-Schwefel-Cluster, oftmals unter Einbeziehung ungewöhnlicher metallischer Cofaktoren wie Molybdän oder Vanadium, die in hohem Maße gegenüber der Oxidation durch atmosphärischen Sauerstoff empfindlich sind. Lediglich in anaeroben Lebensräumen stellt sich dieses Problem nicht, dafür werden Anaerobier durch die geringe Energieausbeute anaerober Stoffwechselprozesse empfindlich eingeschränkt. Photosynthetisch tätigen Organismen hingegen steht Energie in nahezu beliebiger Menge – beschränkt alleine durch den Lichteinfall und den Wirkungsgrad der Lichtaufnahme – zur Verfügung, doch ist die hochproduktive Photosynthese der Cyanobakterien (vulgo "Blaualgen"), eukaryontischen Algen und höheren Pflanzen wiederum untrennbar mit der Freisetzung signifikanter Mengen molekularen Sauerstoffs (O2) verbunden, der die Nitrogenasen irreversibel schädigt. Vor diesem Hintergrund ist ersichtlich, dass die Fähigkeit zur Fixierung von Luftstickstoff aufgrund der hohen Kosten ein geringerer Evolutionsvorteil ist, als bei naiver Betrachtung anzunehmen wäre, und sehr disjunkt auftritt, da die Neigung, diese Fähigkeit zu verlieren, aufgrund dieses ihres begrenzten Wertes offensichtlich groß ist.The mentioned effort consists on the one hand in the high energy requirement of the reduction reaction as such, on the other hand in the chemical complexity and lability of the enzymes called "nitrogenases" which can catalyze such a reaction. Typically, nitrogenases contain iron-sulfur clusters, often involving unusual metallic cofactors such as molybdenum or vanadium, which are highly sensitive to oxidation by atmospheric oxygen. Only in anaerobic habitats, this problem does not arise, but anaerobes are severely limited by the low energy yield of anaerobic metabolic processes. On the other hand, energy-producing organisms are available in virtually any amount - limited solely by the light incidence and the efficiency of light absorption - but the highly productive photosynthesis of cyanobacteria (vulgo "blue-green algae"), eukaryotic algae and higher plants is inseparably more significant with the release Amounts of molecular oxygen (O 2 ), which irreversibly damages the nitrogenases. Against this background, it can be seen that the ability to fix atmospheric nitrogen is a lesser evolutionary advantage due to the high cost than would be assumed by naive consideration, and is very disjoint, as the propensity to lose this ability is obviously large due to its limited value is.
In der Natur sind grundsätzlich zwei Lösungen des Problems umgesetzt worden.In nature are basically two solutions of the Problems have been implemented.
Bakterien der Familie Azotobacteraceae fixieren Stickstoff auch unter aeroben Bedingungen, indem sie die Stickstofffixierung nur bei maximalem Wachstum aktivieren, bei dem jeder zur Verfügung stehende Sauerstoff von den Zellen unmittelbar verbraucht wird und im Zellinneren somit ein im Wesentlichen sauerstofffreies Milieu entsteht. Da die Stickstofffixierung zur Überwindung einer Limitation bei anabolen Prozessen benötigt wird, ist dies wirtschaftlich sinnvoll. Die Effizienz ist allerdings aufgrund des hohen Energieverbrauchs gering, auf 1 g umgesetzte Kohlenhydrate werden maximal 10 mg N2 fixiert.Bacteria of the family Azotobacteraceae also fix nitrogen under aerobic conditions by activating the nitrogen fixation only at maximum growth, in which each available oxygen is consumed directly by the cells and thus creates a substantially oxygen-free environment in the cell interior. Since the nitrogen fixation is needed to overcome a limitation in anabolic processes, this makes economic sense. However, the efficiency is low due to the high energy consumption, to 1 g of converted carbohydrates are fixed at a maximum of 10 mg N 2 .
Photosynthetisch tätige Organismen hingegen verwenden üblicherweise eine funktionale Kompartimentierung, wobei die Stickstofffixierung in einem anaeroben Kompartiment stattfindet: Stickstofffixierende, kettenbildende Cyanobakterien wie Nostoc oder Anabaena bilden sogenannte Heterocysten, d. h., im Abstand von ca. 12–15 Zellen auf der Kette durchläuft bei Stickstoffmangel jeweils eine Zelle eine terminale Differenzierung unter Verlust der Photosynthesepigmente, Verdichtung der Wände, Erhöhung der Zellatmung zur Steigerung des Sauerstoffverbrauchs und Expression von Nitrogenase. Unter den höheren Pflanzen existieren einzelne Spezies, die mit prokaryontischen Stickstofffixierern in Symbiose leben, wobei die letzteren typischerweise in anaeroben Bereichen (Wurzelknöllchen der Fabaceen) gehalten und von der Pflanze im Gegenzug für die Lieferung gebundenen Stickstoffs mit Photosyntheseprodukten versorgt werden. Diese Kompartimentierung ist hochkomplex und wird nur bei wenigen Spezies gefunden. Typischerweise scheint ein alternatives Verfahren der Stickstoffversorgung an stickstoffarmen Standorten, nämlich die Karnivorie, in einer größeren Anzahl von Pflanzengruppen unabhängig voneinander entstanden zu sein als die Ausbildung stabiler Symbiosen. Daraus lässt sich schließen, dass die Komplexität – ausgedrückt als die hierzu notwendige Menge an genetischer Information – von zur Symbiose mit Fixierern dienenden Kompartimenten mit der der bekannten Insektenfangapparate von Drosera, Nepenthes u. a. ungefähr vergleichbar ist.photosynthetic By contrast, active organisms usually use a functional compartmentalization, wherein the nitrogen fixation takes place in an anaerobic compartment: nitrogen-fixing, Chain-forming cyanobacteria such as Nostoc or Anabaena form so-called Heterocysts, d. h., at a distance of about 12-15 cells The chain goes through one in each case of nitrogen deficiency Cell terminal differentiation with loss of photosynthetic pigments, Compaction of the walls, increase of cellular respiration to increase oxygen consumption and expression of nitrogenase. Under In the higher plants, there are some species with which prokaryotic nitrogen fixers live in symbiosis, with the the latter typically in anaerobic areas (Wurzelknöllchen the Fabaceae) and kept by the plant in return for the Supply of bound nitrogen supplied with photosynthetic products become. This compartmentalization is highly complex and is only at few species found. Typically, an alternative seems Method of nitrogen supply at nitrogen-poor sites, namely the carnivory, in a larger one Number of plant groups originated independently to be as the formation of stable symbioses. Leave it conclude that the complexity - expressed as the necessary amount of genetic information - from for symbiosis with fixers serving compartments with the known insect traps of Drosera, Nepenthes u. a. approximately is comparable.
Das
Lehrbuchbeispiel für eine in Symbiose mit Stickstofffixierern
lebende höhere Pflanze ist der wurzellose Wasserfarn Azolla,
der seinen vollständigen Stickstoffbedarf aus der Symbiose
mit den Cyanobakterien Anabaena azollae und Nostoc azollae deckt
und auf diese Weise imstande ist, bei genügender Phosphatversorgung
seine Biomasse innerhalb von weniger als drei Tagen zu verdoppeln.
Azolla ist auf diese Weise zur Sequestration nahezu beliebiger Mengen
atmosphärischen Kohlendioxids befähigt (
Insbesondere unter den wichtigsten Nutzpflanzen sind lediglich bestimmte Fabaceen zur Ausbildung von Symbiosen mit Stickstofffixierern befähigt. Getreide hingegen sind dafür bekannt, dass sie dem Boden Stickstoffverbindungen entziehen, und tatsächlich ist zur Sicherstellung einer qualitativ ausreichenden menschlichen Ernährung eine erhebliche Stickstoffmenge nötig, da essentielle Aminosäuren nur in Pflanzen gebildet werden können. Aber auch Pflanzen, die in erster Linie zur Gewinnung stickstoffarmer oder -freier Biomasse angebaut werden, z. B. zur Gewinnung von Biotreibstoffen, benötigen gebundenen Stickstoff zum Aufbau ihrer Gewebe. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch Chlorophyll selber eine signifikante Stickstoffmenge enthält.Especially Among the most important crops are only certain Fabaceae capable of forming symbioses with nitrogen fixers. Grains, however, are known to be the soil Deprive nitrogen compounds, and in fact is to Ensuring a high quality human diet a considerable amount of nitrogen is needed as essential amino acids only can be formed in plants. But also plants, primarily for the production of low-nitrogen or -free biomass be grown, z. B. for the production of biofuels need bound nitrogen to build up their tissues. At this point It should be noted that also chlorophyll itself a significant Contains nitrogen.
Die Stickstoffversorgung der Biosphäre ist somit, global betrachtet, ein limitierender Faktor für die photosynthetische Bildung von Biomasse, der auch durch die Verwendung von Kunstdünger nur teilweise ausgeglichen werden kann. Überdies erfordert die Herstellung von Kunstdünger, deren Kernstück nach wie vor das Haber-Bosch-Verfahren (N2 + 3H2 am Platinkatalysator → 2NH3) bildet, einen beträchtlichen Aufwand an technisch verfügbarer Energie, die auf andere Weise bereitgestellt werden muss. Wird diese Energie, wie heute üblich, durch das Verfeuern fossiler Brennstoffe im großen Maßstab gewonnen, ergibt sich die paradoxe Situation, dass u. U. zur Bereitstellung von Energie zur Fixierung einer bestimmten Menge an Kohlenstoff aus atmosphärischem Kohlendioxid eine größere Menge an fossilem Kohlenstoff zu Kohlendioxid verbrannt werden muss, so dass die Gesamt-CO2-Bilanz positiv, d. h. für die Umwelt belastend ist.The nitrogen supply of the biosphere is thus, globally, a limiting factor for the photosynthetic formation of biomass, which can only be partially compensated by the use of artificial fertilizer. Moreover, the production of artificial fertilizer, the core of which remains the Haber-Bosch process (N 2 + 3H 2 on the platinum catalyst → 2NH 3 ), requires a considerable amount of technically available energy, which must be provided otherwise. If this energy, as is customary today, is gained by burning fossil fuels on a large scale, the paradoxical situation arises that u. U. a larger amount of fossil carbon must be burned to carbon dioxide to provide energy for fixing a certain amount of carbon from atmospheric carbon dioxide, so that the total CO 2 balance is positive, that is harmful to the environment.
Aufgrund der oben umrissenen Komplexität der Systeme wird es beim gegenwärtigen Stand der Biotechnologie in absehbarer Zukunft nicht möglich sein, die Kompartimentierung von in Symbiose lebenden Pflanzen auf Nutzpflanzen zu übertragen. In entsprechenden Habitaten ist es möglich, die Stickstoffversorgung durch Ausbringen von freien Stickstofffixierern zu verbessern; so wurde z. B. Anabaena in Reisfeldern ausgebracht und führte bei Stickstoffmangel im Boden zu einer Wachstumsverbesserung. Jedoch benötigen stickstofffixierende Cyanobakterien offenes Wasser, dieser Ansatz kann daher grundsätzlich nur bei überschwemmungsresistenten Pflanzen praktiziert werden. Als alternativer Ansatz wurde die direkte Zucht von Cyanobakterien vorgeschlagen; so werden Cyanobakterien der Gattung Spirulina seit langem in Mesoamerika und Zentralafrika zur menschlichen Ernährung verwendet. Jedoch benötigen diese Cyanobakterien wiederum spezifische Umweltbedingungen, z. B. einen pH-Wert zwischen 9 und 11, was in Anbetracht der globalen Gewässerversauerung immer schwieriger wird, und exzellieren im Hinblick auf ihre Syntheseleistungen nicht: Ausbeuten liegen im Bereich von 300 kg Biomasse pro Hektar und Jahr, verglichen mit über 5 t Biomasse pro Hektar und Jahr bei vielen Getreidesorten. So verbleibt als im großen Maßstab anwendbare Alternative zum Kunstdünger nur der aufwändige Ansatz des Fruchtwechsels, bei dem in regelmäßiger Abfolge immer wieder in Symbiose mit natürlichen Stickstofffixierern lebende Pflanzen wie Leguminosen zwischengeschaltet werden.by virtue of The complexity of the systems outlined above is current state of biotechnology in the foreseeable future not be possible, the compartmentalization of in symbiosis transfer live plants to crops. In appropriate Habitats it is possible to supply the nitrogen through To improve application of free nitrogen fixers; so was z. B. Anabaena in rice fields and led Nitrogen deficiency in the soil to improve growth. however nitrogen-fixing cyanobacteria require open water, This approach can therefore only in flood-resistant Plants are practiced. As an alternative approach was the direct Breeding of cyanobacteria proposed; so are cyanobacteria of the genus Spirulina for a long time in Mesoamerica and Central Africa used for human nutrition. However, need these cyanobacteria in turn specific environmental conditions, eg. B. a pH between 9 and 11, which is in view of the global Water acidification is becoming increasingly difficult, and excelling in the water With regard to their synthesis performances not: Yields are in the Range of 300 kg of biomass per hectare and year, compared with over 5 tons of biomass per hectare per year for many cereals. So remains as a large scale applicable alternative to Artificial fertilizer only the elaborate approach of crop rotation, in regular succession again and again in Symbiosis with natural nitrogen fixers living plants how legumes are interposed.
Unter Bedingungen des Stickstoffmangels kann die von den pflanzlichen Photosynthesestrukturen aufgenommene Energie nicht sinnvoll verwertet werden, und auch bei genügender Stickstoffversorgung ist die Rate der Stickstoffaufnahme für die Bildung neuer Biomasse limitierend. So beobachteten Blackman & Matthaei, dass Steigerung der Lichtintensität über ein bestimmtes Maß hinaus zu keiner weiteren Steigerung der Photosynthese führt bzw. im Extremfall die Pflanze sogar durch Lichtstress schädigen kann. Verschiedene Pflanzengruppen reagieren in unterschiedlicher Weise auf Stickstoffmangelbedingungen, Cyanobakterien z. B. hauptsächlich durch Abbau der Lichtsammelpigmente, eukaryontishce Pflanzen bevorzugt durch Bildung von Carotinoiden, die einerseits Lichtenergie absorbieren und dadurch die Zellen schützen können, andererseits, da sie reine Kohlenwasserstoffe sind, ihre Synthese auch bei starkem Stickstoffmangel als Auslass für überschüssige Energie verwendet werden kann.Under Conditions of nitrogen deficiency may be that of the plant Photosynthetic structures are not meaningfully recycled, and even with sufficient nitrogen supply is the rate limiting nitrogen uptake for the formation of new biomass. So Blackman & Matthaei observed that increase in light intensity over a given In addition to no further increase in photosynthesis leads or in extreme cases, the plant even by light stress can harm. Different groups of plants react in a different way to nitrogen deficiency conditions, cyanobacteria z. B. mainly by degradation of light collection pigments, eukaryotic plants favored by formation of carotenoids, on the one hand absorb light energy and thereby protect the cells on the other hand, since they are pure hydrocarbons, their synthesis even in severe nitrogen deficiency as an outlet for excess Energy can be used.
Ohne
Beschränkung auf die Theorie wird angenommen, dass diese
chemisch bedingte Limitation evolutionär dafür
verantwortlich ist, dass Pflanzen nur einen Teil des Sonnenspektrums
nutzen, nämlich rotes und blaues Licht, während
grünes Licht im Bereich von λ = 500 bis 600 nm
praktisch ungenutzt bleibt (vergl.
Eine ähnliche
Beschränkung gilt auch für eukaryontische Algen,
die in nährstoffreichem, d. h. verschmutztem Wasser oftmals
beeindruckende Wachstumsraten erreichen können. So wurde
für die einzellige Grünalge Scenedesmus eine Produktivität von über
50 t pro Hektar und Jahr bei einem Proteingehalt von mehr als 50%
der Trockenmasse beobachtet (
Es ist davon auszugehen, dass das Phänomen der "globalen Verdunkelung", d. h. der zunehmenden Verringerung des die Erdoberfläche erreichenden Sonnenlichts infolge der Zunahme feinkörniger Partikulate in der Atmosphäre, auch die den Pflanzen zur Verfügung stehende Lichtenergie verringert. In diesem Kontext sei darauf hingewiesen, dass der Hauptanteil der durch Klima und Bodenbeschaffenheit agrikulturell nutzbaren Flächen des Festlandes ohnehin in unter Gesichtspunkten des Lichteinfalls eher ungünstigen Regionen liegt.It is assumed that the phenomenon of "global obscuration", d. H. the increasing reduction of the earth's surface reaching sunlight due to the increase fine-grained Particulates in the atmosphere, including the plants to Available light energy decreases. In this context It should be noted that the majority of the climate and Soil quality agriculturally usable areas of the mainland anyway in terms of light incidence rather unfavorable Regions lies.
Die Zucht einzelliger Algen wie Chlorella als Nahrungsquelle für die wachsende Menschheit wurde in der Vergangenheit viel diskutiert, bietet jedoch keine wesentlichen Vorteile: Auch Chlorella erreicht eine Nutzung des einfallenden Sonnenlichtes von maximal etwa 3,8%; die beobachtete höhere Produktivität ist daher lediglich auf die bessere Nutzung des – dreidimensionalen – Lebensraumes zurückzuführen.The Breeding unicellular algae such as Chlorella as a source of food for the growing humanity has been much discussed in the past, However, there are no significant advantages: Chlorella also achieves one Use of incident sunlight of maximum about 3.8%; the Therefore, higher productivity is only observed on the better use of the - three-dimensional - habitat due.
Somit ergibt sich, wenn man eine möglichst hohe Produktion von allgemeiner Biomasse, die zur Sequestration von atmosphärischem Kohlendioxid und Bereitstellung der heute allgemein üblichen kohlenwasserstoffbasierten Brenn- und Treibstoffe ohne positive CO2-Gesamtbilanz anzustreben ist, und insbesondere eine möglichst hohe Produktion von stickstoffhaltiger Biomasse zur Sicherung der menschlichen Ernährung beabsichtigt, das doppelte Problem, dass Pflanzen die solare Leistung nur unvollständig ausnutzen und aufgrund der Limitationen in der Stickstoffversorgung auch keine bessere Nutzung derselben erreichen können. Eine biotechnische Veränderung, die darauf abzielte, den Wirkungsgrad der Lichtaufnahme zu steigern, führte daher nicht zu einer Zunahme der Primärproduktion, sondern lediglich zu einer Aktivierung von Schutzmechanismen und eventuell zu einer Schädigung der Pflanze; eine biotechnische Veränderung hingegen, die auf die Fixierung atmosphärischen Stickstoffs zielte, müsste den Energiehaushalt der Pflanze auf unangemessene Weise belasten und insbesondere zu einer Verarmung an Reduktionsäquivalenten führen.Thus, if the highest possible production of general biomass, which is to be striven for sequestration of atmospheric carbon dioxide and providing today's common hydrocarbon-based fuels and fuels without positive total CO 2 balance, and in particular the highest possible production of nitrogen-containing biomass Securing human nutrition is the dual problem that plants can only partially exploit solar performance and can not make better use of it due to the limitations of nitrogen supply. A biotechnical change aimed at increasing the efficiency of light absorption therefore did not lead to an increase in primary production, but only to the activation of protective mechanisms and possibly damage to the plant; By contrast, a biotechnological change aimed at fixing atmospheric nitrogen would have to unduly burden the energy balance of the plant and, in particular, lead to a depletion of reduction equivalents.
Überdies sind beide der denkmöglichen Veränderungen an sich bereits mit ungelösten technischen Problemen behaftet: Die Synthese des Chlorophylls und der Aufbau photosynthetischer Zentren aus Chlorophyll und geeigneten Auxiliarstrukturen sind ein komplexer Prozess, bei dem nicht klar ist, welcher Art ein Eingriff sein könnte, der den Wirkungsgrad der Lichtaufnahme erhöhen würde – es gibt kein "Gen für Chlorophyll", vielmehr wird Chlorophyll durch enzymatische Reaktionen synthetisiert. Die Fixierung von Stickstoff wird gerade bei photosynthetisch aktiven Pflanzen durch die Sauerstoffempfindlichkeit der bekannten Nitrogenasen und darüberhinaus den Energie- und Reduktionsäquivalentebedarf der Prozedur verhindert.moreover are both of the possible changes already having unresolved technical problems: The synthesis of chlorophyll and the structure of photosynthetic Chlorophyll centers and suitable auxiliary structures are one complex process, where it is not clear what kind of intervention could be that increase the efficiency of light absorption would - there is no "gene for chlorophyll", rather, chlorophyll is synthesized by enzymatic reactions. The Nitrogen fixation is currently taking place with photosynthetic activity Plants by the oxygen sensitivity of the known nitrogenases and moreover the energy and reduction equivalent requirements prevents the procedure.
Ein generelles Problem stellt der Umstand dar, dass Süßwasser heute in vielen Teilen der Welt eine knappe Ressource darstellt. Die Produktion von Biomasse wird hierdurch nicht unwesentlich behindert. Die Salzempfindlichkeit von Nutzpflanzen erfordert eine energieaufwändige Gewinnung von Süßwasser zur Bewässerung.One general problem is the fact that freshwater is a scarce resource in many parts of the world today. The production of biomass is thereby hindered not insignificantly. The salt sensitivity of crops requires an energy-consuming Recovery of fresh water for irrigation.
Ein weiteres erhebliches Umweltproblem speziell in den industrialisierten Ländern besteht heute in der Verwendung niedermolekularer Silikate als Waschmittelzusatz. Viele Detergenzien bilden mit zweiwertigen Kationen, insbesondere Calcium, schwerlösliche Präzipitate, die keine Waschaktivität mehr besitzen und überdies dazu neigen, trübe, "unsauber" wirkende Niederschläge auf dem Waschgut zu bilden. Um kommerzielle Waschmittel für den Einsatz mit "hartem" Wasser geeignet zu machen, werden daher ungiftige Chelatoren zugesetzt, traditionell Phosphate. Da in nährstoffreichem Wasser jedoch der Phosphatgehalt (aufgrund des Zucker-Phosphat-Rückgrats der Nukleinsäuren) der limitierende Faktor für die Entfaltung photosynthetischen Lebens ist, führt der großflächige Einsatz von Phosphat in Waschmitteln zu ökologischen Problemen – Überdüngung und Algenblüten. Niedermolekulare Silikate mit Käfigform können zweiwertige Kationen ohne Verwendung von Phosphaten binden; jedoch ist der Silikatgehalt des Wassers seinerseits ein limitierender Faktor für die Entfaltung von Diatomeen, und Verwendung niedermolekularer Silikate als Waschmittelzusatz begünstigt daher Kieselalgenblüten, die gleichfalls zu ökologischen Problemen führen, umso mehr, als Diatomeen aufgrund ihrer verkieselten Zellwände nur für wenige Planktivoren verwertbar sind. Durch die Polymerisation von niedermolekularem Silikat zu amorphen höhermolekularen Strukturen im Zellinneren im Zusammenhang mit der biologischen Klärung von Abwässern könnten diese Wirkungen vermieden werden.One another significant environmental problem especially in the industrialized Countries today use low molecular weight Silicates as detergent additive. Many detergents form with divalent ones Cations, in particular calcium, sparingly soluble precipitates, which have no more washing activity and moreover tend to be cloudy, "dirty" rainfall to form on the laundry. To commercial detergent for Therefore, to make the use with "hard" water suitable, therefore added non-toxic chelators, traditionally phosphates. Because in nutrient-rich Water, however, the phosphate content (due to the sugar-phosphate backbone the nucleic acids) the limiting factor for the unfolding is photosynthetic life, the leads large-scale use of phosphate in detergents to ecological problems - over-fertilization and algae blooms. Low molecular weight silicates with cage form may be divalent cations without the use of phosphates tie; however, the silicate content of the water is itself a limiting factor for the development of diatoms, and use of low molecular weight silicates as detergent additive favors therefore diatom blooms, which likewise lead to ecological problems, even more so than Diatoms due to their silicified cell walls only for few planktivores are usable. By the polymerization of low molecular weight silicate to amorphous high molecular weight In-cell structures related to biological clarification effluents could avoid these effects become.
Parallel hierzu kennzeichnen sich viele schlechte Ackerböden, z. B. durch Brandrodung gewonnene Ackerflächen der Regenwaldgebiete, durch einen Mangel an quellbaren höhermolekularen, z. B. linearen und flächigen, Silikaten, der dazu führt, dass organische und mineralische Düngemittel rasch ausgewaschen werden und nicht dem Nutzpflanzenwuchs zugutekommen, sondern lediglich zur Überdüngung der Gewässer beitragen. Einer Verarmung eines solchen Ackerbodens ist daher durch Düngung nicht zu begegnen, nach wenigen Jahren wird er unproduktiv und muss aufgegeben werden, wobei sein Zustand eine Neubesiedlung durch die ursprüngliche Pflanzengemeinschaft unmöglich macht.Parallel to this, many bad farmland, z. B. obtained by slash-clearing areas of the rainforest areas, by a lack of swellable high molecular weight, z. As linear and area, silicates, which causes organic and mineral fertilizers are washed out quickly and not the crop grew, but only contribute to the over-fertilization of the waters. The impoverishment of such a field soil is therefore not to be met by fertilization, after a few years it is unproductive and must be abandoned, whereby its condition makes a resettlement by the original plant community impossible.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand in Anbetracht der dargestellten Probleme darin, eine Möglichkeit zu finden, die die Produktion von Biomasse limitierenden Faktoren, nämlich
- • unvollständige Lichtnutzung
- • ungenügende Stickstoffversorgung
- • incomplete use of light
- • insufficient nitrogen supply
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass
- • ein fluoreszierendes Protein im Kontext des Photosyntheseapparates exprimiert wird, das imstande ist, Licht in einem normalerweise nicht oder nur geringfügig genutzten Wellenlängenbereich in Licht in einem von dem Photosyntheseapparat gut nutzbaren Wellenlängenbereich zu transformieren; und
- • Nitrogenase in einem subzellulären Kompartiment exprimiert wird, in dem ein anaerobes, mikroaerobes und/oder reduzierendes Millieu herrscht; sowie gewünschtenfalls
- • ein membranständiger Innentransporter, insbesondere ein Transporter für Natriumionen, und/oder
- • ein silikatpolymerisierendes Enzym
- • sowie optional weitere unterstütztende Produkte, z. B. oberflächenaktive Peptide zur Solubilisierung hydrophober Materialien,
- A fluorescent protein is expressed in the context of the photosynthetic apparatus capable of transforming light in a wavelength region which is normally unused or only slightly used into light in a wavelength range well usable by the photosynthetic apparatus; and
- • Nitrogenase is expressed in a subcellular compartment in which there is an anaerobic, microaerobic and / or reducing environment; as well as desired
- A membrane-bound internal transporter, in particular a transporter for sodium ions, and / or
- • a silicate-polymerizing enzyme
- • as well as optional other supported products, eg. B. Surface-active peptides for solubilizing hydrophobic materials,
Ein Aspekt der Erfindung betrifft daher die Verwendung fluoreszierender Proteine zur Erweiterung des nutzbaren Spektrums eines photosynthetisch tätigen Organismus; ein anderer die, Expression von Nitrogenase in einem reduzierenden bzw. anaeroben oder mikroaeroben Kompartiment einer Zelle zur Fixierung von atmosphärischem Stickstoff. Es ist offenkundig, dass jeder dieser beiden Aspekte auch unabhängig vom anderen verwendet werden kann, jedoch wird ohne Beschränkung durch die Theorie aufgrund der oben dargestellten Erörterungen angenommen, dass sie in der Kombination optimale Ergebnisse erzielen. Beide Aspekte können unabhängig, aber vorzugsweise in Kombination miteinander, mit genetischen Determinanten für Salzresistenz und Silikatpolymerisation kombiniert werden. Insbesondere in Abwesenheit von Nitrogenaseexpression, die Kombination mit dieser jedoch nicht ausschließend, betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung überdies die Erweiterung des nutzbaren Spektrums eines photosynthetisch tätigen Organismus zur Gewinnung von Carotinoiden.One Aspect of the invention therefore relates to the use of fluorescent Proteins for expanding the usable spectrum of a photosynthetic active organism; another one, expression of nitrogenase in a reducing or anaerobic or microaerobic compartment a cell for the fixation of atmospheric nitrogen. It is obvious that each of these two aspects is also independent can be used by others, but without limitation assumed by theory on the basis of the discussion presented above, that they achieve optimal results in the combination. Both Aspects can be independent, but preferably in Combination with each other, with genetic determinants for Salt resistance and silicate polymerization are combined. Especially in the absence of nitrogenase expression, the combination with this but not exclusive, concerns another aspect The invention also extends the useful spectrum of a photosynthetic organism for the production of Carotenoids.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft somit eine transgene Eucyte, dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl eine Nitrogenase als auch ein Fluoreszenzprotein umfasst, wobei mindestens ein Protein ausgewählt unter Nitrogenase und einem Fluoreszenzprotein in einem Organell mit doppelter Membran enthalten ist und vorzugsweise sowohl eine Nitrogenase als auch ein Fluoreszenzprotein jeweils in einem Organell mit doppelter Membran enthalten ist. Es versteht sich hierbei, dass das Organell, das die Nitrogenase enthält, mit demjenigen, das das Fluoreszenzprotein enthält, identisch sein kann, aber nicht identisch sein muss.One Another aspect of the invention thus relates to a transgenic Eucyte, characterized in that they contain both a nitrogenase and a fluorescent protein, wherein at least one protein is selected under nitrogenase and a fluorescent protein in an organelle is contained with double membrane and preferably both a Nitrogenase and a fluorescent protein each in an organelle is contained with double membrane. It goes without saying that the organelle containing the nitrogenase with that containing the fluorescent protein may be identical, but does not have to be identical.
Der Begriff "Organell mit doppelter Membran" ist dem Fachmann geläufig und bezeichnet im Kontext der vorliegenden Erfindung Chloroplasten und Mitochondrien sowie von diesen abgeleitete natürliche Organellen einschließlich – ohne Beschränkung darauf – von Mitosomen, Hydrogenosomen und anderen evolutionär als von diesen abgeleiteten Organellen sowie Derivate von Chloroplasten, Mitochondrien oder von diesen abgeleiteten natürlichen Organellen mit gegenüber dem Wildtyp eingeschränkter oder modifizierter Funktion. Insbesondere bezieht er sich auf solche subzelluläre Organellen, die eigenes genetisches Material besitzen.Of the The term "organelle with double membrane" is familiar to the expert and in the context of the present invention designates chloroplasts and Mitochondria and derived from these natural organelles including, without limitation, von Mitosomes, Hydrogenosomes, and Evolutionary Other Than these derived organelles as well as derivatives of chloroplasts, Mitochondria or derived from these natural organelles with or restricted to the wild type modified function. In particular, he refers to such subcellular organelles, their own genetic material have.
In
einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird das
oben erwähnte Protein von einer Nukleinsäure des
Organells mit doppelter Membran codiert. Verfahren zur genetischen
Modifikation von Organellen mit doppelter Membran sind im Stand
der Technik beschrieben und dem Fachmann geläufig (siehe
z. B.
Der Begriff "Nukleinsäure" ist dem Fachmann geläufig und bezeichnet im Kontext der vorliegenden Erfindung jede Art von einzel- oder doppelsträngiger DNA oder RNA sowie Hybriden, vorzugsweise jedoch solche Nukleinsäuren, die in der erfindungsgemäßen Zelle stabil gehalten bzw. repliziert werden und gegebenenfalls in Aminosäuresequenzen übersetzt werden.Of the The term "nucleic acid" is familiar to the person skilled in the art and in the context of the present invention denotes any type of single- or double-stranded DNA or RNA as well as hybrids, However, preferably those nucleic acids which are in the inventive Cell be kept stable or replicated and optionally be translated into amino acid sequences.
In
einer anderen besonderen Ausführungsform der Erfindung
wird das oben erwähnte Protein von einer Nukleinsäure
außerhalb des Organells mit doppelter Membran codiert.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Protein eine Aminosäuresequenz umfasst,
die es zu dem Organell mit doppelter Membran dirigiert, insbesondere
eine aminoterminale Signalsequenz. Entsprechende Sequenzen, die
beliebige Proteine, mit denen sie verbunden werden, gezielt in bestimmte
Organellen leiten, und ihre kritischen Merkmale sind im Stand der
Technik ausführlich beschrieben, unter anderem in den Werken
des Nobelpreisträgers Blobel. Grundlegende Publikationen hierzu
sind:
Es ist dem Fachmann ohne weiteres möglich, rekombinante Nukleinsäuren herzustellen, die gewünschten Proteine im Verbund mit einer entsprechenden dirigierenden Sequenz herzustellen, diese rekombinanten Nukleinsäuren in die Zielzellen zu übertragen und dort zu exprimieren. Weiterhin ist es dem Fachmann ohne weiteres möglich, erfolgreich modifizierte Zellen auszuwählen und bei mehrzelligen Pflanzen daraus vollständige Pflanzen zu regenerieren. Eine Selektion kann z. B. anhand eines von der gleichen Nukleinsäure codierten Resistenzfaktors und/oder durch direkte Messung der Fluoreszenzeigenschaften der Zelle (Mikroskopie oder Durchflusscytometrie) erfolgen.It is readily possible for the skilled person, recombinant nucleic acids to produce the desired proteins in association with a corresponding directing sequence to produce these recombinant Transfer nucleic acids into the target cells and to express there. Furthermore, it is readily apparent to those skilled in the art possible to select successfully modified cells and in multicellular plants, whole plants thereof to regenerate. A selection can z. B. based on one of the same nucleic acid encoded resistance factor and / or by direct measurement of the fluorescence properties of the cell (Microscopy or flow cytometry).
Eine "Selektion" geeigneter Zellen oder mehrzelliger Individuen erfolgt im Kontext der vorliegenden Erfindung zweckmäßigerweise grundsätzlich dadurch, dass man (1) einen Parameter des Phänotyps auswählt, anhand dessen besser geeignete Zellen oder mehrzellige Individuen von weniger geeigneten Zellen oder mehrzelligen Individuen unterschieden werden können, (2) anschließend bei einer großen Anzahl von Zellen oder mehrzelligen Individuen, typischerweise von zuvor einer den Genotyp beeinflussenden Behandlung unterzogenen Zellen oder mehrzelligen Individuen, diesen Parameter misst und (3) diejenigen Zellen oder mehrzelligen Individuen, bei denen der gewählte Parameter diesem Wert am nächsten kommt, auswählt und weitervermehrt.A "Selection" of suitable cells or multicellular individuals takes place in the context of the present invention expediently basically by (1) setting a parameter of Phenotype selects, on the basis of which more suitable Cells or multicellular individuals of less suitable cells or multicellular individuals can be distinguished, (2) subsequently on a large number of cells or multicellular individuals, typically from previously one Genotype-affecting treatment-treated cells or multicellular Individuals, this parameter measures and (3) those cells or multicellular individuals, where the chosen parameter comes closest to this value, selects and further increases.
Gewünschtenfalls kann die Selektion auf den gleichen oder einen anderen Parameter des Phänotyps mit den Nachkommen der ausgewählten Zellen oder mehrzelligen Individuen erneut durchgeführt werden. Die Messung des Parameters des Phänotyps kann hierbei entweder instrumentativ geschehen, indem man eine physikalische Größe oder eine chemische Eigenschaft der Zellen oder mehrzelligen Individuen bestimmt und diejenigen Zellen oder mehrzelligen Individuen, bei denen der gewählte Parameter diesem Wert am nächsten kommt, auswählt und weitervermehrt, oder evolutionär, indem die Zellen oder mehrzelligen Individuen Umweltbedingungen ausgesetzt werden, unter denen diejenigen Zellen oder mehrzelligen Individuen, bei denen der gewählte Parameter diesem Wert am nächsten kommt, besser überleben und/oder sich besser vermehren als die anderen. Eine instrumentative Selektion kann hierbei manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch geschehen; eine möglichst vollständige Automatisierung ist hierbei aus Gründen des Durchsatzes bevorzugt. In jedem Fall ist es bevorzugt, dass der gewählte Parameter mit der Ausprägung des gleichen Parameters beim Wildtyp verglichen wird.If desired, The selection can be at the same or a different parameter of the phenotype with the descendants of the selected Cells or multicellular individuals are carried out again. The measurement of the parameter of the phenotype can be either instrumentally done by taking a physical size or a chemical property of cells or multicellular individuals and those cells or multicellular individuals the selected parameter is closest to this value comes, selects and furthers, or evolutionary, by giving cells or multicellular individuals environmental conditions be exposed, among which those cells or multicellular Individuals where the chosen parameter is this value comes closest, better survive and / or yourself better multiply than the others. An instrumental selection can be done manually, semi-automatically or fully automatically; as complete automation as possible this is preferred for reasons of throughput. In each Case, it is preferable that the selected parameter with the expression of the same parameter compared to the wild type becomes.
Grundsätzlich kann auf die Präsenz von Transgenen durch evolutionäre Selektion auf einen auf dem gleichen Nukleinsäurekonstrukt befindlichen Resistenzfaktor, z. B. ein Gen für ein ein Toxin entgiftendes Protein, und Zugabe der entsprechenden Noxe zum Wachstumsmedium selektiert werden. Auf die Präsenz von Fluoreszenzproteinen kann instrumentativ durch Messung der quantitativen Fluoreszenzeigenschaften, z. B. der Emission bei einer bestimmten Exzitationswellenlänge und/oder der zeitlichen Kenngrößen der Fluoreszenz, und der qualitativen Fluoreszenzeigenschaften, z. B. der intrazellulären Verteilung des Fluoreszenz, selektiert werden, wobei Durchflusscytometrie ("FACS") ein bevorzugtes Verfahren ist. Auf die Präsenz beliebiger anderer Moleküle kann in ähnlicher Weise unter Verwendung von fluoreszenzmarkierten Antikörpern und Bestimmung des Maßes ihrer Bindung selektiert werden. Auf die Fähigkeit zur Stickstofffixierung kann evolutionär, durch Wachstum unter Stickstoffmangelbedingung, oder instrumentativ, durch Messung des relativen 15N-Gehaltes bei Wachstum unter einer 15N2-haltigen Atmosphäre in Gegenwart organischer 14N2-Verbindungen im Medium, selektiert werden. Zweckmäßigerweise wird eine solche Selektion unter Verwendung von Hochdurchsatzpipettiergeräten, z. B. im 96-Well-, 192-Well- oder 384-Well-Format erfolgen. Auf Salzresistenz kann evolutionär durch Wachstum unter Salzstressbedingungen oder instrumentativ unter Zugabe von intrazellulären Salzindikatoren selektiert werden. Auf Silikatpolymerisation kann instrumentativ, z. B. durch Messung der Lichtbrechung von Zellen aufgrund der Bildung von Silikatkörpern in der Durchflusscytometrie oder durch Messung des Gehaltes an Silikat, entweder durch dem Fachmann bekannte chemische Nachweisverfahren, durch Massenspektrometrie und/oder anhand der Aufnahme von isotopenmarkiertem Silikat selektiert werden. Auf Resistenz gegenüber biotischen oder abiotischen Faktoren kann evolutionär durch Wachstum in Gegenwart der betreffenden Noxen selektiert werden. Andere Parameter und Selektionsmöglichkeiten sind möglich und dem Fachmann geläufig.Basically, the presence of transgenes by evolutionary selection on a located on the same nucleic acid construct resistance factor, eg. For example, a gene for a toxin detoxifying protein, and addition of the appropriate Noxe to the growth medium can be selected. The presence of fluorescent proteins can be instrumented by measuring the quantitative fluorescence properties, e.g. As the emission at a certain excitation wavelength and / or the temporal characteristics of the fluorescence, and the qualitative fluorescence properties, eg. , The intracellular distribution of fluorescence, with flow cytometry ("FACS") being a preferred method. The presence of any other molecules can similarly be selected using fluorescently labeled antibodies and determining the extent of their binding. The ability for nitrogen fixation can be selected evolutionarily, by growth under nitrogen deficiency conditions, or instrumentally by measuring the relative 15 N content for growth under a 15 N 2 -containing atmosphere in the presence of organic 14 N 2 compounds in the medium. Conveniently, such selection is made using high throughput pipetting equipment, e.g. In 96-well, 192-well or 384-well format. Salt resistance can be selected evolutionarily by growth under salt stress conditions or instrumentally by adding intracellular salt indicators. On silicate polymerization instrumentation, z. Example, by measuring the refraction of cells due to the formation of silicate bodies in the flow cytometry or by measuring the content of silicate, either by the skilled person known chemical detection method, by mass spectrometry and / or based on the inclusion of isotopically labeled silicate. Resistance to bioti or abiotic factors can be evolutionarily selected by growth in the presence of the respective noxa. Other parameters and selection options are possible and familiar to the person skilled in the art.
Die Expression der erfindungsgemäßen Genprodukte ist grundsätzlich nicht besonders beschränkt; jede zweckmäßige Kombination von Enhancern, Promotoren, Spleißsignalen, Polyadenylatoren, Terminatoren etc. kann verwendet werden. Entsprechende Strukturen und ihre Verwendung sind dem Fachmann geläufig. Auf die gewünschte Expression kann wie oben beschrieben selektiert werden.The Expression of the gene products of the invention is not particularly limited in principle; each appropriate combination of enhancers, promoters, Splice signals, polyadenylators, terminators, etc. can be used. Corresponding structures and their use are the Specialist familiar. To the desired expression can be selected as described above.
Werden in der erfindungsgemäßen Eucyte mehrere Proteine transgen exprimiert, so ist jede Kombination von Lokalisationen der codierenden Nukleinsäuren innerhalb und außerhalb der Organellen möglich. Auf die gewünschte Expression jedes einzelnen von ihnen kann wie oben beschrieben selektiert werden.Become in the invention Eucyte several proteins expressed transgenically, so is any combination of localizations the coding nucleic acids inside and outside Organelles possible. To the desired expression each one of them can be selected as described above.
In
einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Nitrogenase
in einem Organell mit reduzierendem und/oder mikroaeroben Milieu
enthalten ist, insbesondere einem von einem Mitochondrion abgeleiteten
Organell wie zum Beispiel einem funktionellen Mitochondrion oder
einem von einem Mitochondrion abgeleiteten Organell mit verringerter
Atmungsaktivität. Es wurde gezeigt (
In einer besonderen Ausführungsform enthält das die Nitrogenase enthaltende Organell eine zusätzliche reduzierende Komponente, zum Beispiel eine solche, die ein Hydrochinon enthält.In a particular embodiment that contains the Nitrogenase-containing organelle an additional reducing Component, for example, one containing a hydroquinone.
In
der Ausführungsform, in der die Nitrogenase in einem Organell
mit reduzierendem und/oder mikroaeroben Milieu enthalten ist, ist
es bevorzugt, dass die Nitrogenase eine sauerstoffempfindliche Nitrogenase
ist, insbesondere eine Nitrogenase, die einen Eisen-Schwefel-Cluster
enthält. Sequenzen solcher Nitrogenasen sind aus dem Stand
der Technik bekannt und z. B. über die NIH-Datenbank, online
zu erreichen unter
In
einer anderen Ausführungsform ist die Nitrogenase eine
sauerstoffunempfindliche Nitrogenase, bevorzugt die Nitrogenase
aus Streptomyces thermoautotrophicus. Sequenzen solcher Nitrogenasen
sind gleichfalls aus dem Stand der Technik bekannt und z. B. über
die NIH-Datenbank, online zu erreichen unter
In dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, dass das Organell, in dem die Nitrogenase enthalten ist, photosynthetisch aktiv ist, und besonders bevorzugt, dass das Organell ein Chloroplast ist. Ohne Beschränkung auf die Theorie wird angenommen, dass die reichhaltige Verfügbarkeit von Reduktionsäquivalenten im aktiven Chloroplasten für die von der Nitrogenase katalysierte Reduktion von Stickstoff zu Ammoniak günstig ist.In In this embodiment, it is particularly preferred that the organelle containing the nitrogenase is photosynthetic is active, and particularly preferred that the organelle is a chloroplast is. Without limitation to theory, it is believed that the abundant availability of reduction equivalents in the active chloroplast for those catalyzed by the nitrogenase Reduction of nitrogen to ammonia is favorable.
Die Nitrogenase katalysiert eine dem Haber-Bosch-Verfahren entsprechende Bildung von Ammoniak, der i. A. mit anderen Substanzen umgesetzt wird. Typischerweise wird der primär gebildete Ammoniak im nächsten Schritt mit Glutamat zu Glutamin umgesetzt. In einer besonderen Ausführungsform umfasst das Organell daher einen zusätzlichen Transporter für Produkte der Nitrogenase und deren unmittelbare Umsetzungsprodukte, vorzugsweise einen Glutamintransporter. In einer weiteren besonderen Ausführungsform umfasst das Organell einen zusätzlichen Transporter für Substanzen, die im Organell mit Ammoniak umgesetzt werden, vorzugsweise einen Glutamat- oder α-Ketoglutarat-Transporter.The Nitrogenase catalyses a Haber-Bosch process Formation of ammonia, the i. A. reacted with other substances becomes. Typically, the primary ammonia formed in the next step with glutamate converted to glutamine. In a particular embodiment, the organelle therefore an additional transporter for products the nitrogenase and their immediate reaction products, preferably a glutamine transporter. In a further particular embodiment The Organell includes an additional transporter for Substances which are reacted in the organelle with ammonia, preferably one Glutamate or α-ketoglutarate transporters.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Fluoreszenzprotein in einem einen photosynthetischen Apparat enthaltenden Organell enthalten, vorzugsweise in einem Chloroplasten. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Fluoreszenzprotein ein Absorptionsmaximum in einem Spektralbereich besitzt, in dem die Lichtabsorption des photosynthetischen Apparats des Organells gering ist.In a particular embodiment of the invention is the Fluorescent protein in a photosynthetic apparatus containing Organelle contained, preferably in a chloroplast. In this Embodiment, it is preferred that the fluorescent protein has an absorption maximum in a spectral range in which the light absorption of the photosynthetic apparatus of the organelle low is.
Der Begriff "Spektralbereich mit geringer Absorption" bezeichnet hierbei alle Wellenlängen λ, bei denen der molare Extinktionskoeffizient höchstens 20%, vorzugsweise höchstens 10% und besonders bevorzugt höchstens 5%, z. B. höchstens 2%, des beim Absorptionsmaximum gemessenen molaren Extinktionskoeffizienten beträgt. Verfahren zur Messung des molaren Extinktionskoeffizienten bei einer bestimmten Wellenlänge sind dem Fachmann geläufig.Of the Term "spectral region with low absorption" refers to this all wavelengths λ, where the molar extinction coefficient at most 20%, preferably at most 10% and more preferably at most 5%, e.g. At most 2% of the molar extinction coefficient measured at the absorption maximum is. Method of measuring the molar extinction coefficient at a certain wavelength, those skilled in the art.
Die Begriffe "molare Extinktionskoeffizient", "Absorptionsmaximum" und "Emissionsmaximum" sind dem Fachmann ebenfalls geläufig.The terms "molar extinction coefficient", "Absorption maximum" and "emission maximum" are also familiar to the person skilled in the art.
Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass das Fluoreszenzprotein ein Absorptionsmaximum im Bereich von 500 bis 600 nm und/oder ein Absorptionsmaximum im Bereich von λ ≤ 420 nm, z. B. von λ = 350 bis 420 nm, besitzt.Especially in this case it is preferred that the fluorescent protein has an absorption maximum in the range of 500 to 600 nm and / or an absorption maximum in the Range of λ ≤ 420 nm, e.g. B. from λ = 350 to 420 nm, has.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass das Fluoreszenzprotein ein Emissionsmaximum in einem Spektralbereich besitzt, in dem die Lichtabsorption des photosynthetischen Apparats des Organells hoch ist.Farther it is particularly preferred that the fluorescent protein has an emission maximum in a spectral region in which the light absorption of the organellium photosynthetic apparatus is high.
Der Begriff "Spektralbereich mit hoher Absorption" bezeichnet hierbei alle Wellenlängen λ, bei denen der molare Extinktionskoeffizient mehr als 20%, vorzugsweise mindestens 30% und besonders bevorzugt mindestens 40% des beim Absorptionsmaximum gemessenen molaren Extinktionskoeffizienten beträgt.Of the The term "high absorption spectral range" refers to this all wavelengths λ, where the molar extinction coefficient more than 20%, preferably at least 30%, and more preferably at least 40% of the molar extinction coefficient measured at the absorption maximum is.
Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass das Fluoreszenzprotein ein Emissionsmaximum im Bereich von λ = 420 bis 500 nm oder im Bereich von λ = 600 bis 680 nm besitzt, und nochmals besonders bevorzugt, dass das Fluoreszenzprotein ein Emissionsmaximum im Bereich von λ = 550 bis 650 nm besitzt. In höchstem Maße bevorzugt ist es, dass das Fluoreszenzprotein ein Absorptionsmaximum im Bereich von λ = 500 bis 600 nm und ein Emissionsmaximum im Bereich von 600 bis 650 nm besitzt.Especially in this case it is preferred that the fluorescent protein has an emission maximum in the range of λ = 420 to 500 nm or in the range of λ = 600 to 680 nm, and even more preferred that the fluorescent protein an emission maximum in the range of λ = 550 to 650 nm has. It is highly preferred that the fluorescent protein has an absorption maximum in the range of λ = 500 to 600 nm and an emission maximum in the range of 600 to 650 nm has.
Bei biologischen Fluorophoren ist der Wellenlängenabstand Δλ zwischen Absorptions- und Emissionsmaxima meist gering, typischerweise weniger als 30 nm und oftmals weniger als 20 nm. Darüberhinaus ist der nutzbare Absorptionsbereich oftmals schmal. Größere Wellenlängenabstände lassen sich jedoch durch Verwendung von mehreren durch strahlungsfreien Resonanzenergietransfer (fluorescence resonance energy transfer, "FREI") gekoppelten Fluorophoren überbrücken.at biological fluorophores is the wavelength distance Δλ between Absorbance and emission maxima usually low, typically less than 30 nm and often less than 20 nm. In addition the usable absorption range is often narrow. larger Wavelength distances, however, can be achieved Use of several by radiation-free resonance energy transfer (fluorescence resonance energy transfer, "FREE") coupled fluorophores bridge.
Die Begriffe "strahlungsfreier Resonanzenergietransfer" und "FRET" sind dem Fachmann geläufig und im Stand der Technik ausführlich erläutert. Strahlungsfreier Resonanzenergietransfer tritt durch Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen Fluorophoren in räumlicher Nachbarschaft unterhalb eines substanzspezifischen Mindestabstandes (sog. "Förster-Abstand") in makromolekularen Dimensionen, typischerweise bei einer räumlichen Nähe der beiden Fluorophore von weniger als etwa 10 nm, ein, wenn das Emissionsspektrum eines Fluorophors sich mit dem Absorptionsspektrum eines anderen Fluorophors überlappt. Diese Energieübertragung geschieht i. A. im Picosekundenbereich und mit sehr hohem Wirkungsgrad. Auf diese Weise kann die Lichtenergie daher durch Verwendung gekoppelter Fluorophore auf größere Wellenlängen herabtransformiert werden. Zweckmäßigerweise sind die Fluorophore kovalent zu einem einzigen Molekül verbunden, wodurch bei geeigneter Struktur des Moleküls gewährleistet werden kann, dass ihr Abstand signifikant geringer als der kritische Mindestabstand für die Energieübertragung ist.The Terms "radiation-free resonance energy transfer" and "FRET" the skilled worker and the art in detail explained. Radiation-free resonance energy transfer occurs by dipole-dipole interaction between fluorophores in spatial Neighborhood below a substance-specific minimum distance (so-called "Förster distance") in macromolecular dimensions, typically at a spatial proximity of the two fluorophores less than about 10 nm, when the emission spectrum of a Fluorophore overlaps with the absorption spectrum of another fluorophore. This energy transfer happens i. A. in the picosecond range and with very high efficiency. In this way, the light energy can therefore by using coupled fluorophores on larger ones Wavelengths are down-transformed. Conveniently, the fluorophores are covalent to a single molecule connected, ensuring a suitable structure of the molecule can be that their distance is significantly lower than the critical one Minimum distance for the energy transfer is.
In einer besonderen Ausführungsform besitzt das Fluoreszenzprotein daher mindestens zwei Fluorophore mit unterschiedlichen Absorptionsspektren, wobei es bevorzugt ist, dass die Fluorophore innerhalb des Fluoreszenzproteins zu strahlungsfreiem Resonanzenergietransfer imstande sind. Gleichfalls bevorzugt ist, dass das Fluoreszenzprotein zu strahlungsfreiem Resonanzenergietransfer an den photosynthetischen Apparat des Organells imstande ist. Exemplarisch kann ein Fluorophor des Fluoreszenzproteins ausgewählt sein unter den Fluorophoren von Fluoreszenzproteinen aus Aequorea, den Fluorophoren von Fluoreszenzproteinen aus Renilla, den Fluorophoren von Fluoreszenzproteinen aus Discosoma und ihren Derivaten. Diese Proteine und Fluorophore sowie ihre Strukturen und Eigenschaften sind dem Fachmann geläufig.In a particular embodiment has the fluorescent protein therefore at least two fluorophores with different absorption spectra, it being preferred that the fluorophores are within the fluorescent protein are capable of radiation-free resonance energy transfer. Likewise preferred is that the fluorescent protein to radiation-free resonance energy transfer to the photosynthetic apparatus of the organelle. exemplary For example, a fluorophore of the fluorescent protein can be selected be among the fluorophores of fluorescent proteins from Aequorea, the fluorophores of fluorescent proteins from Renilla, the fluorophores of fluorescent proteins from Discosoma and its derivatives. These Proteins and fluorophores as well as their structures and properties are familiar to the expert.
Zahlreiche
Mutanten und Variationen dieser Proteine sind aus dem Stand der
Technik bekannt und dem Fachmann geläufig, von denen BFP
(blaues Fluoreszenzprotein), CFP (blaugrünes Fluoreszenzprotein),
GFP (grünes Fluoreszenzprotein), EGFP (verbessertes grünes
Fluoreszenzprotein) und YFP (gelbes Fluoreszenzprotein) aus Aequorea
und die RFP-Familie (rote Fluoreszenzproteine) aus Discosoma sowie
die GFP-Derivate "Citrine", "dTomato", "FlAsH" "mBanana", "mCherry",
"mHoneydew", "mOrange", "mPlum", "mStrawberry", "mTangerine", "ReAsH"
und "Sapphire" (entwickelt im Labor von Roger Tsien, UCSD, und in
Form ihrer codierenden DNA-Sequenzen erhältlich z. B. von
der Firma Planet Gene in Menlo Park, Kalifornien, USA) besonders
erwähnt werden sollten. Diese Fluoreszenzproteine sowie
sie codierende Nukleinsäuren sind kommerziell verfügbar,
die chemische Struktur und Bildung der Fluorophore ist durchgängig
verstanden (siehe hierzu u. a.:
Die Fluoreszenzproteine der Aequorea-Gruppe haben eine Neigung zur nichtkovalenten Dimerisierung, was den intermolekularen Energietransfer begünstigt. Ohne Beschränkung durch die Theorie wird angenommen, dass diese Dimerisierung durch hydrophobe Wechselwirkungen erfolgt, was gewünschtenfalls zu einer Integration der Fluoreszenzproteine in supermolekulare Strukturen genutzt werden kann. Die Bildung der Fluorophore erfolgt autokatalytisch ohne Erfordernis für irgendwelche externen Faktoren und ergibt chemisch und physikalisch außerordentlich robuste Fluorophore. Fusion mit anderen Proteinen am Amino- oder Carboxyterminus beeinträchtigt die Bildung, Aktivität und Stabilität der Fluorophore nicht. Es ist dem Fachmann daher ohne weiteres möglich, eine große Anzahl von Fluorophoren und Fluorophorkombinationen erfindungsgemäß zu verwenden.The Fluorescent proteins of the aequorea group have a tendency to non-covalent dimerization, which promotes intermolecular energy transfer. Without Restriction by theory is believed to be this Dimerization by hydrophobic interactions takes place, if desired to an integration of the fluorescent proteins into supermolecular Structures can be used. The formation of the fluorophores takes place autocatalytic without requirement for any external Factors and results chemically and physically extraordinarily robust fluorophores. Fusion with other proteins at the amino or Carboxyterminus impairs formation, activity and stability of the fluorophores not. It is therefore the expert readily possible, a large number of fluorophores and fluorophore combinations according to the invention use.
In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst
das Fluoreszenzprotein die Fluorophore der Tsien-Fluoreszenzproteine
"mPlum" (
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die transgene Eucyte eine Zelle eines Kormophyten, vorzugsweise einer freischwimmenden Wasserpflanze, vorzugsweise einer Aracee oder Lemnacee – in der vorliegenden Erfindung synonym verstanden – und besonders bevorzugt einer Spezies einer der Gattungen Spirodela, Lemna oder Wolffia, oder eines Farns, vorzugsweise der Gattung Azolla; oder eines Mooses, vorzugsweise einer der Gattungen Blasia, Clavicula oder Anthoceros; oder eine Zelle einer eukaryontischen Alge, vorzugsweise einer Grünalge, insbesondere einer monadischen oder kokkalen Grünalge, z. B. einer Grünalge einer der Gattungen Scenedesmus, Chlorella oder Haematococcus.In a particular embodiment of the invention is the transgenic Eucyte a cell of a cormophyte, preferably one free - swimming aquatic plant, preferably an aracee or lemnacee - in of the present invention synonymous - and especially prefers a species of one of the genera Spirodela, Lemna or Wolffia, or a fern, preferably of the genus Azolla; or a moss, preferably one of the genera Blasia, Clavicula or anthoceros; or a cell of a eukaryotic alga, preferably a green alga, especially a monadic or coccal Green alga, z. As a green alga of the genera Scenedesmus, Chlorella or Haematococcus.
Lemnaceen lassen sich trocknen und als Viehfutter verwenden; auch für die menschliche Ernährung sind sie grundsätzlich geeignet. Das Trockenmaterial enthält typischerweise 25–45% an Proteinen, 4–5% an Fetten und 8–10% an Ballaststoffen. Sie wachsen in einem Temperaturbereich von 6–33°C, am besten jedoch von 20–28°C, bei einem pH-Wert von 5–9, bevorzugt 6.5–7.5, in Wasser von mindestens 30 cm Tiefe. Ein Phosphatgehalt von 1 mg/l ist ideal. Wildtyp-Lemnaceen benötigen mindestens 60 mg/l an organischen Stickstoffverbindungen; für die erfindungsgemäßen Pflanzen kann dieser Wert stark reduziert, vorzugsweise auf den Zusatz von Stickstoffverbindungen gänzlich verzichtet werden. Tägliche Ernte ist möglich; typischerweise wird so geerntet, dass pro m2 weniger als 1 kg Pflanzenmaterial zurückbleibt. Auf diese Weise sind Erträge von 10–30 kg Trockenmaterial pro Hektar und Jahr möglich.Lemnaceae can be dried and used as animal feed; they are also suitable for human nutrition. The dry material typically contains 25-45% of proteins, 4-5% of fats and 8-10% of fiber. They grow in a temperature range of 6-33 ° C, but most preferably 20-28 ° C, at a pH of 5-9, preferably 6.5-7.5, in water of at least 30 cm depth. A phosphate content of 1 mg / l is ideal. Wild-type Lemnaceae require at least 60 mg / L of organic nitrogen compounds; for the plants according to the invention, this value can be greatly reduced, preferably completely dispensed with the addition of nitrogen compounds. Daily harvest is possible; typically, it is harvested so that less than 1 kg of plant material remains per m 2 . In this way yields of 10-30 kg dry matter per hectare per year are possible.
Verfahren zur Transfektion von Lemnaceenzellen und zur Herstellung transgener Lemnaceen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik geläufig.method for the transfection of Lemnace cells and for the production of transgenic Lemnaceans are well known to those skilled in the art.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Expression der Nitrogenase und eines Fluoreszenzproteins von einer physikalisch zusammenhängenden Nukleinsäure. In der vorliegenden Erfindung ist die gemeinsame Expression mehrerer Genprodukte von einer zusammenhängenden Nukleinsäure nicht besonders beschränkt; es kann Expression von mehreren Promotoren, Expression von einem Promotor unter Verwendung einer "internal ribosome entry site" oder jedes beliebige andere aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren verwendet werden. Selektion kann wie oben beschrieben erfolgen.In a particular embodiment of the invention, the expression of the nitrogenase and a fluorescent protein is carried out by a physically contiguous nucleic acid. In the present invention, co-expression of several gene products from a contiguous nucleic acid is not particularly limited; it can Expression of multiple promoters, expression from a promoter using an "internal ribosome entry site", or any other method known in the art. Selection can be done as described above.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein transgenes Cyanobakterium, das mindestens ein Fluoreszenzprotein wie im vorigen Aspekt beschrieben umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fluoreszenzprotein zu strahlungsfreiem Resonanzenergietransfer an den photosynthetischen Apparat des Cyanobakteriums imstande. Eine Selektion hierauf kann wie oben beschrieben erfolgen, z. B. durch Messung der Fluoreszenzemission des Chlorophylls bei Anregung mit einer nicht von demselben, wohl aber von dem Fluoreszenzprotein absorbierten Lichtwellenlänge. Es ist besonders bevorzugt, dass ein Fluoreszenzprotein als Fusionsprotein mit einer Komponente des photosynthetischen Apparats des Cyanobakteriums vorliegt. In einer besonderen Ausführungsform gehört das Cyanobakterium einer heterocystenbildenden Cyanobakterienspezies an, insbesondere einer der Gattung Nostoc oder Anabaena angehörenden.One Another aspect of the invention relates to a transgenic cyanobacterium, the at least one fluorescent protein as described in the previous aspect includes. In a preferred embodiment, the fluorescent protein is for radiation-free resonance energy transfer to the photosynthetic apparatus of the cyanobacterium. A selection on this can be as above described described, z. B. by measuring the fluorescence emission of chlorophyll on excitation with one not of the same, well but light wavelength absorbed by the fluorescent protein. It is particularly preferred that a fluorescent protein as a fusion protein with a component of the photosynthetic apparatus of the cyanobacterium is present. In a particular embodiment belongs the cyanobacterium of a heterocyst-forming cyanobacteria species, in particular one of the genus Nostoc or Anabaena belonging.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine transgene Zelle nach einem der vorangegangenen Aspekte, in dem der Gehalt an Kohlenwasserstoffen gegenüber dem Wildtyp gesteigert ist, und in dem insbesondere der Gehalt an Carotinoiden gegenüber dem Wildtyp gesteigert ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Expression der Nitrogenese und/oder eines Fluoreszenzprotein von einer physikalisch mit mindestens einer genetischen Determinante für den gesteigerten Kohlenwasserstoffgehalt zusammenhängenden Nukleinsäure erfolgt. Die Enzyme des Carotinoidstoffwechsels sind charakterisiert, und der Fachmann ist daher imstande, gewünschtenfalls ihre Expression zu erhöhen. Ohne Beschränkung auf die Theorie wird jedoch davon ausgegangen, dass ohnehin zur Bildung von Carotinoiden neigende Spezies wie Haematococcus bei erfindungsgemäßer Modifikation infolge der gesteigerten Aufnahme von Lichtenergie in besonderem Maße unter Lichtstress stehen und daher ohne weitere Modifikationen erhöhte Carotinoidmengen bilden, wenn das Wachstum blockiert wird. Zweckmäßigerweise ist in solchen Zellen die Expression der Nitrogenase daher unter die Kontrolle eines extern regulierbaren Promotors gestellt, z. B. eines durch Temperatur oder Metallionen regulierbaren Promotors. Solche Kontrollelemente und ihre Verwendung sind dem Fachmann vertraut. Auf die Bildung von Carotinoiden kann z. B. anhand ihrer Fluoreszenzeigenschaften selektiert werden.One Another aspect of the invention relates to a transgenic cell one of the preceding aspects, in which the content of hydrocarbons increased compared to the wild type, and in particular increased the content of carotenoids compared to the wild type is. It is preferred that the expression of nitrogenogenesis and / or a fluorescent protein from one physically with at least one genetic determinant related to the increased hydrocarbon content Nucleic acid takes place. The enzymes of carotenoid metabolism are characterized, and the skilled person is therefore able, if desired to increase their expression. Without restriction on the theory, however, it is assumed that anyway Formation of carotenoid-prone species such as Haematococcus inventive modification due to the increased Absorption of light energy in particular under light stress and therefore without further modifications increased amounts of carotenoids form when growth is blocked. Appropriately, is in such cells, the expression of the nitrogenase therefore among the Control of an externally regulated promoter, z. B. one by temperature or metal ion regulatable promoter. Such Control elements and their use are familiar to the skilled person. On the formation of carotenoids z. B. based on their fluorescence properties be selected.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Membran einer transgenen Zelle nach einem der vorangegangenen Aspekte einen zusätzlichen Transporter für Natriumionen, vorzugsweise einen Transporter für Natriumionen, der aktiv Salz aus der Zelle hinauspumpt. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Transporter für Natriumionen von einer physikalisch mit den codierenden Sequenzen für Nitrogenase und/oder Fluoreszenzprotein und/oder einer genetischen Determinante für gesteigerten Kohlenwasserstoffgehalt zusammenhängenden Nukleinsäure exprimiert wird. Entsprechende Moleküle und ihre Expression in heterologen Systemen sind im Stand der Technik beschrieben und dem Fachmann vertraut. Auf Salzresistenz kann z. B. durch Wachstum unter Salzstress selektiert werden, wie oben beschrieben.In a particular embodiment of the invention the membrane of a transgenic cell according to one of the preceding Aspects an additional transporter for sodium ions, preferably a transporter for sodium ions, which is active Salt pumped out of the cell. It is preferred that the Transporter for sodium ions of a physically with the coding sequences for nitrogenase and / or fluorescent protein and / or a genetic determinant of increased hydrocarbon content contiguous nucleic acid is expressed. Appropriate molecules and their expression in heterologous Systems are described in the art and those skilled in the art familiar. On salt resistance can z. B. by growth under salt stress are selected as described above.
Wie
eingangs beschrieben, ist es von doppeltem Vorteil, Kieselsäure
und lösliche niedermolekulare Silikate zu im Wesentlichen
linearen oder flächigen Strukturen zu polymerisieren. In
einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Zelle daher zusätzlich ein silikatpolymerisierendes Enzym,
vorzugsweise ein silikatpolymerisierendes Enzym aus einer Radiolarie,
ein silikatpolymerisierendes Enzym aus einer Diatomee oder ein silikatpolymerisierendes
Enzym aus einer beschalten Amöbe. Hierbei ist es bevorzugt,
dass das silikatpolymerisierende Enzym von einer physikalisch mit
den codierenden Sequenzen für Nitrogenase und/oder Fluoreszenzprotein
und/oder einen Transporter für Natriumionen und/oder einer
genetischen Determinante für gesteigerten Kohlenwasserstoffgehalt
zusammenhängenden Nukleinsäure exprimiert wird.
Ein Beispiel für ein silikatpolymerisierendes Enzym ist
in
Eine Selektion kann z. B. durch Messung der zellulären Lichtbrechung erfolgen, wie oben beschrieben. Die Möglichkeit der Selektion erlaubt es dem Fachmann grundsätzlich, geeignete Gene in fremden Genomen anhand ihrer Wirkungen in der Zielzelle zu identifizieren, zweckmäßigerweise durch Selektion aus einer Bibliothek. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Identifikation durch das oftmals als "Shotgun-Klonierung" bezeichnete Verfahren, indem durch an sich bekannte Verfahren eine cDNA-Bibliothek aus einem kompetenten Organismus isoliert, in einen Expressionsvektor übertragen und solchermaßen in den Zielzellen exprimiert wird, dass jede Zielzelle eine identifizierbare cDNA exprimiert und durch die Selektion daher geeignete Phänotypen identifiziert werden können. Im Fall der Silikatpolymerisation ist der kompetente Organismus vorzugsweise ein Organismus einer silikatpolymerisierenden Spezies, z. B. einer Radiolarie, Diatomee oder beschalten Amöbe.A Selection can z. B. by measuring the cellular refraction of light done as described above. The possibility of selection allows the skilled person in principle, suitable genes in foreign Identify genomes by their effects in the target cell, expediently by selection from a library. In a preferred embodiment, the identification takes place by the method often referred to as "shotgun cloning", by by known per se a cDNA library a competent organism isolated, transferred to an expression vector and thus expressed in the target cells, that each Target cell expressed an identifiable cDNA and by selection therefore suitable phenotypes can be identified. In the case of silicate polymerization, the competent organism is preferable an organism of a silicate polymerizing species, e.g. B. one Radiolaria, diatom or connected amoeba.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zelle zusätzlich einen Resistenzfaktor gegen Schwermetalle, insbesondere ein reduzierendes Enzym oder ein schwermetallbindendes Biopolymer. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Resistenzfaktor gegen Schwermetalle von einer physikalisch mit den codierenden Sequenzen für Nitrogenase und/oder Fluoreszenzprotein und/oder ein silikatpolymerisierendes Enzym und/oder einen Transporter für Natriumionen und/oder einer genetischen Determinante für gesteigerten Kohlenwasserstoffgehalt zusammenhängenden Nukleinsäure exprimiert wird.In a particular embodiment of the invention, the cell additionally comprises a resist tenzfaktor against heavy metals, in particular a reducing enzyme or a heavy metal binding biopolymer. Here, it is preferred that the resistance factor against heavy metals is expressed from a nucleic acid physically related to the coding sequences for nitrogenase and / or fluorescent protein and / or a silicate polymerizing enzyme and / or a transporter for sodium ions and / or a genetic determinant for increased hydrocarbon content.
Für die Expression von Determinanten und ihre Selektion gilt das oben Gesagte; kompetente Organismen sind typischerweise halophile, vorzugsweise euryhaline Organismen, insbesondere halophile, vorzugsweise euryhaline Pflanzen.For the expression of determinants and their selection is the same above been said; competent organisms are typically halophilic, preferably euryhaline organisms, especially halophilic, preferably euryhalins Plants.
Der tierische, z. B. menschliche Organismus kann nicht alle Aminosäuren selbst synthetisieren, sondern ist bei bestimmten Aminosäuren, den sogenannten essentiellen Aminosäuren, auf eine Zufuhr derselben mit der Nahrung angewiesen. Es ist daher von offenkundigem Vorteil, in der Diät die essentiellen Aminosäuren gegenüber den nichtessentiellen quantitativ zu begünstigen. Die Anteile der einzelnen Aminosäuren in den funktionalen, "hauseigenen" Proteinen einer Zelle sind schwierig zu beeinflussen, jedoch lassen sich an essentiellen Aminosäuren reiche Reserveproteine ohne weiteres durch Expression von geeigneten Nukleotidsequenzen in der Zelle herstellen. Eine solche Nukleotidsequenz kann der Fachmann ohne weiteres aus einer natürlichen Quelle isolieren oder vollsynthetisch herstellen.Of the animal, z. B. human organism can not all amino acids synthesize itself, but is specific to certain amino acids, the so-called essential amino acids, to a supply of the same instructed with food. It is therefore of obvious benefit in the diet the essential amino acids to favor the nonessential quantitatively. The shares of the individual amino acids in the functional, "home-made" proteins of a cell are difficult to influence, but can be essential amino acids rich reserve proteins readily by expression of suitable nucleotide sequences in the cell. Such a nucleotide sequence is readily apparent to those skilled in the art isolate a natural source or fully synthetic produce.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung trägt die Zelle daher zusätzlich mindestens ein weiteres Transgen, dessen Produkt ein an essentiellen Aminosäuren reiches Polypeptid ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass das an essentiellen Aminosäuren reiche Polypeptid ein hohes Molekulargewicht hat, vorzugsweise ein Molekulargewicht von mindestens 50 kDa, bevorzugt von mindestens 100 kDa und besonders bevorzugt von mindestens 200 kDa, z. B. von mindestens 500 kDa oder von mindestens 1 MDa.In a particular embodiment of the invention carries the cell therefore additionally at least one further transgene, its product is rich in essential amino acids Polypeptide is. It is preferred that this is essential Amino acids rich polypeptide high molecular weight has, preferably a molecular weight of at least 50 kDa, preferred of at least 100 kDa and more preferably of at least 200 kDa, z. At least 500 kDa or at least 1 MDa.
Der Begriff "essentielle Aminosäuren" ist dem Fachmann geläufig und bezeichnet hierbei insbesondere Arginin, Cystein, Glycin, Glutamin, Isoleucin, Leucine, Lysine, Methionin, Phenylalanin, Threonine, Tryptophan, Tyrosin, Histidin und Valin, vorzugsweise Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin.Of the The term "essential amino acids" is familiar to the person skilled in the art and denotes in particular arginine, cysteine, glycine, glutamine, Isoleucine, leucines, lysines, methionine, phenylalanine, threonines, Tryptophan, tyrosine, histidine and valine, preferably histidine, Isoleucine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine, tryptophan and valine.
Der Begriff "an essentiellen Aminosäuren reich" bezeichnet im Kontext der vorliegenden Erfiundung ein Polypeptid, unter dessen Aminosäuren mindestens 40% (molar), vorzugsweise mindestens 50% (molar) und besonders bevorzugt mindestens 60% (molar), z. B. mindestens 70% (molar) oder mindestens 80% (molar), zur Gruppe der essentiellen Aminosäuren gehören.Of the Term "rich in essential amino acids" in the context of the present invention, a polypeptide under which Amino acids at least 40% (molar), preferably at least 50% (molar) and more preferably at least 60% (molar), e.g. B. at least 70% (molar) or at least 80% (molar), to the group of essential amino acids belong.
Ein weiteres beträchtliches Umweltproblem besteht gegenwärtig in der Kontamination natürlicher Lebensräume durch hydrophobe Substanzen, hauptsächlich mittel- und längerkettige aliphatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe. Die von ihnen ausgelösten Schädigungen lebender Organismen sind vielfältig und reichen von physischem Schaden aufgrund der mechanischen Eigenschaften großer Mengen von mittel- und längerkettigen Kohlenwasserstoffen (klassische "Ölpest") bis zur Auslösung von Mutationen und Tumoren aufgrund der Fähigkeit bereits geringer Mengen insbesondere polyzyklischer Aromaten zur Interkalation zwischen die Nukleotide der DNA (z. B. bei Kontamination des Erdreichs im Bereich schlecht geführter chemischer, inbesondere petrochemischer Betriebe). Alle diese Substanzen sind dem biologischen Abbau schlecht zugänglich, insbesondere unter anderem aufgrund ihrer geringen Löslichkeit im für lebende Zellen erforderlichen wässrigen Milieu. Oberflächenaktive Substanzen (Tenside) sind grundsätzlich imstande, zusammenhängende Schichten hydrophober Substanzen zu verteilen und dem Abbau, insbesondere durch biologische und abiotische Oxydationsprozesse, zugänglich zu machen. Die Produktion genügender Mengen solcher oberflächenaktiven Substanzen erfordert jedoch einen solchen Aufwand an Energie und organischem Material, dass herkömmliche Mikroorganismen damit überfordert sind. Die erfindungsgemäßen Zellen können dazu eingesetzt werden, dieses Problem zu lösen.One Another significant environmental problem currently exists in the contamination of natural habitats hydrophobic substances, mainly medium and longer chain aliphatic and / or aromatic hydrocarbons. The one of them triggered damage to living organisms varied and ranging from physical damage the mechanical properties of large quantities of medium and longer-chain hydrocarbons (classic "oil spill") until the release of mutations and tumors due to Ability already small quantities in particular polycyclic Aromatics for intercalation between the nucleotides of the DNA (e.g. in case of contamination of the soil in the area poorly managed chemical, especially petrochemical operations). All these substances are poorly accessible to biodegradation, in particular partly due to their low solubility in the for living cells required aqueous environment. surfactants Substances (surfactants) are basically capable of being contiguous Layers of hydrophobic substances to distribute and degradation, in particular by biological and abiotic oxidation processes, accessible close. The production of sufficient quantities of such surface-active However, substances requires such an expenditure of energy and organic material that conventional microorganisms are overwhelmed with it. The invention Cells can be used to address this problem to solve.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung exprimiert die Zelle daher ein zusätzliches oberflächenaktives Peptid, wobei es bevorzugt ist, dass sie das zusätzliche oberflächenaktive Peptid sezerniert. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das oberflächenaktive Peptid einen Kopf aus bei neutralem pH-Wert geladenen Aminosäuren, z. B. Arginin, Lysin, Glutamin, Glutamat, Asparagin oder Aspartat, und einen Schwanz aus bei neutralem pH-Wert ungeladenen, inbesondere hydrophoben Aminosäuren, z. B. Leucin, Isoleucin, Valin, Alanin, Phenylalanin und Glycin.In a particular embodiment of the invention expressed the cell therefore an additional surface active Peptide, it being preferred that it be the additional secreted surface-active peptide. In a preferred Embodiment comprises the surface active Peptide a head of at neutral pH charged amino acids, z. Arginine, lysine, glutamine, glutamate, asparagine or aspartate, and a tail of neutral pH uncharged, in particular hydrophobic amino acids, e.g. Leucine, isoleucine, valine, Alanine, phenylalanine and glycine.
Es
ist in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass die Raumform
des oberflächenaktiven Peptids die Bildung micellärer
Strukturen gegenüber der Bildung membranöser Strukturen
begünstigt und insbesondere die Raumform des oberflächenaktiven
Peptids sich vom Beginn zum Ende des hydrophoben Schwanzes verjüngt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden im
hydrophoben Schwanz die Seitenketten der Aminosäuren terminad
kleiner, d. h. die räumliche Größe der
Seitenkette jeder Aminosäure im Schwanz ist kleiner oder
gleich der räumlichen Größe der Seitenkette
der Größe ihres kopfseitigen Nachbarn, und/oder
im hydrophoben Schwanz werden die Aminosäuren terminad
höher repetitiv, d. h. die Anzahl der Wiederholungen einer Aminosäure
ist größer oder gleich der Anzahl der Wiederholungen
ihres kopfseitigen Nachbarn. In einer besonderen Ausführungsform
befindet sich zwischen der hydrophilen Kopfregion und der hydrophoben
Schwanzregion mindestens ein Prolylrest. In einer beispielhaften
Ausführungsform ist die Sequenz des Peptids wie in
Der Fachmann erkennt, dass zur Sekretion eines Peptids aus der Zelle die Sequenz des reifen oberflächenaktiven Peptids mit der Sequenz geeigneter Exportsequenzen, z. B. aminoterminaler Aminosäuresequenzen verbunden sein muss. Geeignete Sequenzen und Verfahren zu ihrer Inkorporation in die zu sezernierenden Peptide, z. B. durch Herstellung entsprechender rekombinanter Aminosäuren, die solche Fusionspeptide aus einer Exportsequenz und einer zu exportierenden Sequenz codieren, sind im Stand der Technik beschrieben und dem Fachmann geläufig. Eine Selektion auf ihre Expression ist dem Fachmann z. B. instrumentativ durch Messung der Oberflächenaktivität im Medium möglich. Ebenso ist eine Selektion auf die Aufnahme hydrophober Substanzen aus dem Medium dem Fachmann z. B. instrumentativ durch Messung der Inkorporation isotopenmarkierter hydrophober Substanzen, z. B. 14C- oder 3H-markierter Kohlenwasserstoffe ins Material der Zelle möglich.One skilled in the art will recognize that for the secretion of a peptide from the cell, the sequence of the mature surface-active peptide with the sequence of suitable export sequences, e.g. B. amino-terminal amino acid sequences must be connected. Suitable sequences and methods for their incorporation into the peptides to be secreted, e.g. Example, by producing corresponding recombinant amino acids which encode such fusion peptides from an export sequence and a sequence to be exported, are described in the prior art and familiar to the expert. A selection for their expression is the expert z. B. instrumental by measuring the surface activity in the medium possible. Likewise, a selection of the inclusion of hydrophobic substances from the medium to the expert z. B. instrumental by measuring the incorporation of isotope-labeled hydrophobic substances, eg. B. 14 C or 3 H-labeled hydrocarbons in the material of the cell possible.
Es ist in dieser Ausführungsform weiterhin bevorzugt, dass die Zelle ein weiteres Polypeptid sezerniert, das mit den aus oberflächenaktivem Peptid gebildeten Micellen assoziiert vorliegt, und insbesondere, dass die Zelle imstande ist, das oberflächenaktive Peptid enthaltende Micellen aufzunehmen, z. B., dass sie imstande ist, das erwähnte weitere, micellenassoziierte Polypeptid enthaltende Micellen aufzunehmen. Vorzugsweise exprimiert sie eine Oxidase transgen, z. B. eine mischfunktionelle Oxidase, bevorzugt eine Oxidase, die zur Oxidation aliphatischer Kohlenwasserstoffketten und/oder aromatischer Kohlenwasserstoffgruppen und/oder polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffsysteme imstande ist. Entsprechende Oxidasen sind im Stand der Technik bekannt. Eine Selektion auf ihre Expression ist dem Fachmann z. B. instrumentativ durch Verfolgung des Substratumsatzes möglich.It is further preferred in this embodiment the cell secretes another polypeptide that interacts with the surfactant Peptide-formed micelles, and in particular, that the cell is capable of the surface-active peptide contain containing micelles, z. B. that she is capable of the mentioned further micelle-associated polypeptide-containing To record micelles. Preferably, it expresses an oxidase transgene, z. B. a mixed-functional oxidase, preferably an oxidase, the for the oxidation of aliphatic hydrocarbon chains and / or aromatic Hydrocarbon groups and / or polycyclic aromatic hydrocarbon systems is able. Corresponding oxidases are known in the art. A selection for their expression is the expert z. B. instrumental possible by tracking the substrate turnover.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die das oberflächenaktive Peptid produzierende Zelle eine potentiell heterotrophe Alge, bevorzugt eine Euglenophycee, ein Dinoflagellat oder eine amöboide Alge, z. B. eine amöboide Alge einer der Gattungen Chrysamoeba oder Rhizochrys.In a particularly preferred embodiment is the surface-active peptide producing cell a potential heterotrophic algae, preferably an Euglenophyceae, a dinoflagellate or an amoeboid alga, z. B. an amoeboid alga one of the genera Chrysamoeba or Rhizochrys.
Es versteht sich von selbst, dass die entsprechenden Modifikationen zum Abbau hydrophober Substanzen nach Maßgabe der Verhältnisse mit anderen in der gesamten vorliegenden Anmeldung beschriebenen Modifikationen kombiniert werden können.It It goes without saying that the corresponding modifications for the degradation of hydrophobic substances according to the conditions described with others throughout this application Modifications can be combined.
In dem komplexen Mechanismus einer lebenden Zelle können einzelne Komponenten oder Veränderungen einzelner Komponenten eine zuvor nicht ohne weiteres vorhersehbare Wirkung entfalten. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung trägt die Zelle daher zusätzlich mindestens eine weitere genetische Veränderung gegenüber dem Wildtyp.In The complex mechanism of a living cell can be individual Components or modifications of individual components previously not readily predictable effect. In a particular embodiment of the invention carries the cell therefore additionally has at least one additional genetic Change from the wild type.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine solche genetische Veränderung eine Zufallsmutation. Solche Zufallsmutationen können z. B. durch kurzwellige Bestrahlung, chemische Mutagenese, Transposonmutagenese oder irgendein anderes der aus dem Stand der Technik bekannten und dem Fachmann geläufigen Verfahren produziert werden. Selektion kann wie oben beschrieben erfolgen.In a preferred embodiment of the invention is a such genetic change is a chance mutation. Such Random mutations can, for. B. by short-wave irradiation, chemical mutagenesis, transposon mutagenesis or any other the known from the prior art and familiar to those skilled Procedures are produced. Selection can be as described above respectively.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine solche genetische Veränderung die Expression mindestens eines Gens aus einer fremden Spezies, vorzugsweise ein Gen, das anhand der Wirkungen, die es in der Zelle entfaltet, aus einer Genbank der fremden Spezies ausgewählt wurde, z. B. durch Expressionsscreening, z. B. durch Einbringen einer cDNA-Bibliothek der fremden Spezies. Hierbei ist es bevorzugt, dass die fremde Spezies eine andere Pflanzenspezies ist, insbesondere eine Spezies, die mindestens eine biologische Eigenschaft besitzt, die auf die Zelle übertragen werden soll. Zu diesen biologischen Eigenschaften gehören ohne Beschränkung darauf Widerstandfähigkeit gegen chemische und physikalische Umweltfaktoren wie z. B. Schadstoffe, hohe oder tiefe Temperaturen sowie gegen Krankheiten und Schädlinge.In a preferred embodiment of the invention is a such genetic change the expression at least a gene from a foreign species, preferably a gene that Based on the effects that it unfolds in the cell, from a gene bank the foreign species was selected, for. By expression screening, z. By introducing a cDNA library of the foreign species. in this connection it is preferred that the foreign species be a different plant species is, in particular a species that is at least one biological Property that is to be transferred to the cell. These biological properties include without limitation on resistance to chemical and physical Environmental factors such. As pollutants, high or low temperatures and against diseases and pests.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Pflanze, die eine transgene Eucyte nach einem der vorigen Aspekte umfasst. Der Begriff "Pflanze" bezeichnet hierbei alle vegetativen und generativen Stadien eines photosynthetischen Organismus. Des weiteren wird dieser Begriff hier verwendet, um auch an sich nicht photosynthetische Organismen, die jedoch photosynthetische Endosymbionten wie z. B. Zoochlorellen oder Zooxanthellen enthalten, einzuschließen. Solche Organismen fallen ebenfalls in den Bereich der Erfindung, solange sie mindestens eine erfindungsgemäße Zelle als Endosymbionten enthalten.One Another aspect of the invention relates to a plant which is a transgenic Eucyte embraces one of the previous aspects. The term "plant" denotes in this case all vegetative and generative stages of a photosynthetic Organism. Furthermore, this term is used here to also not photosynthetic organisms, but photosynthetic ones Endosymbionts such. B. Zoochlorellen or Zooxanthellen included, include. Such organisms are also in the field the invention, as long as they at least one inventive Contain cell as Endosymbionten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines transgenen nichtmenschlichen Organismus, wie in einem der vorigen Aspekte dargestellt.One Another aspect of the invention relates to a process for the preparation a transgenic nonhuman organism, as in one of the previous aspects presented.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung stickstoffhaltiger Biomasse, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man einen Organismus enthaltend eine Zelle nach einem der vorigen Aspekte unter Bedingungen hält, bei denen Stickstoffmangel der limitierende Faktor ist.One Another aspect of the invention relates to a method for obtaining nitrogen-containing biomass, which is characterized in that you have an organism containing a cell after one of the previous ones Aspects under conditions where there is a lack of nitrogen the limiting factor is.
In einer typischen Anwendung kann das Verfahren zur Gewinnung von qualitativ hochwertigem Tierfutter und/oder menschlicher Nahrung verwendet werden. Es sei hier insbesondere darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Bereitstellung eiweißreichen Tierfutters die Notwendigkeit der aus hygienischen Gründen, z. B. aufgrund der Möglichkeit der Übertragung von prionenassoziierten Erkrankungen ("Rinderwahnsinn" u. dergl.) fragwürdige Rezyklierung von Schlachtabfällen in Form von Tiermehl verringern oder gänzlich überflüssig machen könnte.In In a typical application, the method of obtaining qualitative high quality animal feed and / or human food. It should be noted in particular that the inventive Providing protein-rich animal feed the need for hygienic reasons, eg. B. due to the possibility of transmission of prion-associated diseases ("mad cow disease" and the like) questionable recycling of slaughterhouse waste reduce in the form of animal meal or completely unnecessary could do.
In einer typischen Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Organismen nach einem optionalen Anreicherungsschritt durch an sich bekannte Verfahren der Filtration aus ihrem Lebensraum gewonnen, gewünschtenfalls einer Reinigung, z. B. durch Waschung, unterzogen und dann zum fertigen Produkt verarbeitet, wobei die Verarbeitung beliebige Kombinationen von aus dem Stand der Technik bekannten Schritten wie Trocknen, Schneiden, Mahlen, Pressen und Brikettieren umfassen kann. Diese Gewinnungsverfahren und ihre Produkte sind ein Bestandteil der vorliegenden Erfindung.In a typical embodiment, the inventive Organisms after an optional enrichment step by itself gained known method of filtration from their habitat, if desired, a cleaning, z. B. by washing, and then processed into a finished product, the Processing any combination of the prior art known steps such as drying, cutting, grinding, pressing and Briquetting may include. These extraction methods and their products are a part of the present invention.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Biomasse aus atmosphärischem CO2, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man einen Organismus enthaltend eine Zelle nach einem der vorigen Aspekte unter wachstumspermissiven Bedingungen hält.A further aspect of the invention relates to a process for obtaining biomass from atmospheric CO 2 , which comprises keeping an organism containing a cell according to one of the preceding aspects under growth-inhibiting conditions.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus atmosphärischem CO2, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man einen Organismus enthaltend eine Zelle nach einem der vorigen Aspekte, insbesondere eine Zelle, in dem der Gehalt an Kohlenwasserstoffen gegenüber dem Wildtyp gesteigert ist, und in der insbesondere der Gehalt an Carotinoiden gegenüber dem Wildtyp gesteigert ist, unter wachstumspermissiven Bedingungen hält, vorzugsweise unter wachstumspermissiven Bedingungen, die ein Überangebot an Lichtenergie umfassen.A further aspect of the invention relates to a process for the production of hydrocarbons from atmospheric CO 2 , which comprises increasing an organism comprising a cell according to one of the preceding aspects, in particular a cell in which the content of hydrocarbons is increased compared to the wild-type and in which, in particular, the carotenoid content is increased over the wild-type, under growth-inhibiting conditions, preferably under growth-inhibiting conditions comprising an oversupply of light energy.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Amelioration minderwertiger Böden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man einen Organismus enthaltend eine Zelle nach einem der vorigen Aspekte unter wachstumspermissiven Bedingungen mit den minderwertigen Böden in Kontakt bringt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Böden schwermetallbelastet, in welcher Ausführungsform es besonders bevorzugt ist, dass die Zelle zusätzlich einen Resistenzfaktor gegen Schwermetalle umfasst; salzhaltig, in welcher Ausführungsform es besonders bevorzugt ist, dass die Membran der Zelle einen zusätzlichen Transporter für Natriumionen umfasst; und/oder arm an quellbaren Silikaten, in welcher Ausführungsform es besonders bevorzugt ist, dass die Zelle zusätzlich ein silikatpolymerisierendes Enzym umfasst. Ohne Beschränkung durch die Theorie wird angenommen, dass die Silikatpolymerisation besonders vorteilhaft ist, da die Präsenz linearer und insbesondere flächiger Silikate (Phyllosilikate, "clay minerals") die Fähigkeit des Bodens zur Retention von Nährstoffen und Spurenelementen steigert.One Another aspect of the invention relates to a method for amelioration inferior soils, which is characterized in that you have an organism containing a cell after one of the previous ones Aspects under growth-inhibiting conditions with the inferior ones Bringing soil into contact. In a preferred embodiment the soils are heavy metal contaminated, in which embodiment it is particularly preferred that the cell additionally has a Resistance factor against heavy metals; salty, in which Embodiment, it is particularly preferred that the membrane the cell has an additional transporter for sodium ions includes; and / or low in swellable silicates, in which embodiment it is particularly preferred that the cell additionally silicate polymerizing enzyme. Without restriction The theory assumes that the silicate polymerization is particularly advantageous because the presence of linear and in particular flat silicates (phyllosilicates, "clay minerals ") the soil's ability to retain nutrients and increases trace elements.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Abwässern, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man einen Organismus enthaltend eine Zelle nach einem der vorigen Aspekte unter wachstumspermissiven Bedingungen mit den Abwässern in Kontakt bringt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Abwässer biologisch belastet; schwermetallbelastet, in welcher Ausführungsform es besonders bevorzugt ist, dass die Zelle zusätzlich einen Resistenzfaktor gegen Schwermetalle umfasst; salzhaltig, in welcher Ausführungsform es besonders bevorzugt ist, dass die Membran der Zelle einen zusätzlichen Transporter für Natriumionen umfasst; und/oder sie enthalten niedermolekulare Silikate, in welcher Ausführungsform es besonders bevorzugt ist, dass die Zelle zusätzlich ein silikatpolymerisierendes Enzym umfasst.One Another aspect of the invention relates to a method for processing of wastewater characterized by having one An organism containing a cell according to one of the previous aspects under growth-permeable conditions with the waste water brings in contact. In a preferred embodiment the wastewater is biologically contaminated; heavy metal burden, in which embodiment it is particularly preferred that the cell additionally has a resistance factor against heavy metals includes; salty, in which embodiment it is especially it is preferred that the membrane of the cell has an additional Transporter for sodium ions includes; and / or contain them low molecular weight silicates, in which embodiment it it is particularly preferred that the cell additionally silicate polymerizing enzyme.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines Nutzproteins, bevorzugt eines rekombinanten Nutzproteins, wobei das Nutzprotein in einen Organismus enthaltend eine erfindungsgemäße Zelle exprimiert, bevorzugt rekombinant exprimiert, wird.One Another aspect of the invention relates to a method for obtaining a useful protein, preferably a recombinant useful protein, wherein the useful protein in an organism containing a novel Cell expressed, preferably recombinantly expressed.
Der Begriff "Nutzprotein" bezeichnet im Kontext der vorliegenden Erfindung ein Protein, das zur weiteren Verwertung gewonnen, d. h. von den übrigen Zellbestandteilen isoliert wird, wobei es vorzugsweise mit einer Reinheit von mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 99 Gew.-%, z. B. mindestens 99,9 Gew.-%, gewonnen wird. Beispiele für Nutzproteine sind dem Fachmann geläufig und umfassen eine große Anzahl biotechnologisch und/oder medizinisch nutzbarer Proteine, z. B. Antikörper. Zweckmäßigerweise wird das Protein auf eine solche Weise exprimiert, dass es sich in der Zelle akkumuliert und nach Ernten und Aufschluss des Pflanzenmaterials aus demselben isoliert wird; geeignete Expressionssysteme und Vektoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und dem Fachmann geläufig. Bevorzugt ist das Protein hierbei mit einer Markierung versehen, die seine Abtrennung von dem Rest des Pflanzenmaterials erleichtert, z. B. einem terminalen Hexahistidinylrest, der durch seine Affinität zu komplex gebundenen Nickel- oder Kupferionen eine einfache Isolation großer Proteinmengen durch aus dem Stand der Technik wohlbekannte Verfahren erlaubt.The term "useful protein" in the context of the present invention refers to a protein which is recovered for further utilization, ie isolated from the other cell constituents, preferably having a purity of at least 90% by weight, preferably at least 95% by weight and more preferably at least 99% by weight, e.g. B. at least 99.9 wt .-% is recovered. Examples of useful proteins are familiar to the person skilled in the art and comprise a large number of biotechnologically and / or medically usable proteins, eg. B. antibodies. Conveniently, the protein is expressed in such a way that it accumulates in the cell and after harvesting and digesting the plant material is isolated from the same; Suitable expression systems and vectors are known in the art and will be apparent to those skilled in the art. Preferably, the protein is hereby provided with a label which facilitates its separation from the rest of the plant material, e.g. A terminal hexahistidinyl residue which, by virtue of its affinity for complexed nickel or copper ions, allows for simple isolation of large quantities of protein by methods well known in the art.
Wird das Nutzprotein rekombinant exprimiert, so ist es von Vorteil, es von einer Nukleinsäure zu exprimieren, die physisch mit einer erfindungsgemäße Transgene (Fluoreszenzprotein und/oder Nitrogenase) codierenden Nukleinsäure verbunden ist. Ohne Beschränkung auf die Theorie wird angenommen, dass dies die für die Zelle belastende Expression des Nutzproteins in der Population stabilisiert.Becomes the beneficial protein expresses recombinantly, so it is beneficial from a nucleic acid that physically interacts with a transgene according to the invention (fluorescent protein and / or nitrogenase) encoding nucleic acid is. Without limitation to theory, it is believed that this is the burden on the cell expression of the useful protein stabilized in the population.
Von Insekten, insbesondere von Stechmücken, übertragene Infektionskrankheiten spielen eine große medizinische Rolle; beispielhaft sei aufgrund ihrer besonders hohen Bedeutung die Malaria genannt, weitere stechmückenübertragene Krankheiten sind dem Fachmann vertraut. Es wurde bereits gezeigt, dass ein starker Bewuchs von stehenden oder langsam fließenden Gewässern mit freischwimmenden Pflanzen wie z. B. Azolla die Entwicklung von Stechmückenlarven behindert. Ohne Beschränkung durch die Theorie wird angenommen, dass die Bedeckung der Wasseroberfläche mit Pflanzenmaterial die Atmung der luftsauerstoffabhängigen Mückenlarven behindert.From Insects, especially of mosquitoes, transmitted Infectious diseases play a major medical role; By way of example, due to its particularly high importance, malaria is an example called, are more mosquito-borne diseases familiar to the skilled person. It has already been shown that a strong Growth of stagnant or slow flowing waters with free-swimming plants such. B. Azolla the development of mosquito larvae with special needs. Without limitation by theory, it is believed that the covering of the water surface with plant material the Respiration of the oxygen-dependent mosquito larvae with special needs.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Bekämpfung von Stechmücken, insbesondere Stechmücken der Gattungen Anopheles und Culex, bei dem man einen Organismus enthaltend eine erfindungsgemäße Zelle mit dem Lebensraum der Stechmückenlarven, insbesondere dem Lebensraum sauerstoffbedürftiger Entwicklungsstadien der Stechmückenlarven, in Kontakt bringt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zelle hierbei wie zuvor beschrieben eine Zelle einer freischwimmenden Wasserpflanze, bevorzugt eine Zelle einer Aracee oder Lemnacee ist und insbesondere einer der Gattungen Spirodela, Lemna oder Wolffia.One Another aspect of the invention therefore relates to a method for controlling of mosquitoes, in particular mosquitoes Genera Anopheles and Culex, in which one contains an organism a cell according to the invention with the habitat the mosquito larvae, especially the habitat oxygen-needy Stages of development of the mosquito larvae, brings into contact. In a preferred embodiment, the cell is hereby as previously described a cell of a free-swimming aquatic plant, preferably a cell of an aracee or lemnacee is and in particular one of the genera Spirodela, Lemna or Wolffia.
In einer besonderen Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Bekämpfung von Stechmücken zusätzlich die rekombinante Expression eines insektizid wirksamen Proteins, z. B. des Bacillus thuringiensis-Toxins. Entsprechende Proteine und Verfahren zu ihrer Expression sind dem Fachmann aus dem Stand der Tchnik vertraut; weitere lassen sich gewünschtenfalls anhand ihrer spezifischen insektentoxischen Wirkung unter Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren identifizieren.In In a particular embodiment, the method comprises in addition to fighting mosquitoes the recombinant expression of an insecticidally active protein, z. B. of Bacillus thuringiensis toxin. Corresponding proteins and methods for their expression are known to those skilled in the art familiar with the technique; others can be left if desired based on their specific insecticidal activity using identify methods known in the art.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbau hydrophober Verunreinigungen in natürlichen Lebensräumen, bei dem man einen erfindungsgemäßen Organismus mit dem Lebensraum in Kontakt bringt, insbesondere einen zur Expression oberflächenaktiver Peptide befähigten erfindungsgemäßen Organismus und besonders bevorzugt einen Organismus, der zusätzliche Oxidasen exprimiert.One Another aspect of the invention relates to a method for degrading hydrophobic Impurities in natural habitats, in which one organism of the invention brings into contact with the habitat, especially one for expression surface-active peptides capable of the invention Organism, and more preferably an organism, the additional Oxidases expressed.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Nahrungsmittel für Tiere oder Menschen, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohmaterial durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gewonnen worden ist oder eine erfindungsgmäße Zelle bzw. einen erfindungsgemäßen Organismus umfasst.One Another aspect of the invention relates to a food for Animals or humans, characterized in that the raw material obtained by a method according to the invention or a erfindungsgmäße cell or comprises an organism according to the invention.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewässerung von Ackerland, bei dem man einen erfindungsgemäßen Organismus in einem offenen Bewässerungssystem hält. Ohne Beschränkung auf die Theorie wird angenommen, dass der erfindungsgemäße Organismus durch Abdeckung der Wasseroberfläche unerwünschter Verdunstung entgegenwirkt, das Wachstum von Schadorganismen durch Belegung der ökologischen Nischen behindert und gleichzeitig das Wasser mit Nährstoffen anreichert.One Another aspect of the invention relates to a method for irrigation of farmland, where you have a invention Keeping organism in an open irrigation system. Without limitation to the theory, it is believed that the organism according to the invention by covering the water surface undesirable evaporation counteracts the growth of harmful organisms by occupying the ecological Niche hinders and at the same time the water with nutrients accumulates.
Die Merkmale der Ansprüche sind Bestandteil der Beschreibung. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren und Beispiele näher illustriert. Die Beispiele stellen hierbei lediglich exemplarische Ausführungsformen dar und sind keinesfalls als die Erfindung beschränkend zu verstehen. Der Fachmann erkennt, dass die in der vorliegenden Beschreibung offenbarten Gegenstände zahlreichen Abwandlungen und Variationen zugänglich sind. Alle diese Abwandlungen und Variationen sind als zu der Erfindung gehörig zu betrachten, sofern sie unter den Bereich der Ansprüche fallen. Insbesondere versteht es sich, dass, wenn mehr als ein zusätzliches Merkmal beschrieben wird, diese Merkmale in getrennten zellulären Individuen vorliegen können, soweit dies intrinsisch möglich ist; ohne Beschränkung darauf seien in diesem Kontext exemplarisch oberflächenaktive Peptide exprimierende Zellen und zusätzliche Oxidasen exprimierende Zellen genannt.The Features of the claims are part of the description. The invention will be described below with reference to the figures and examples illustrated in more detail. The examples merely represent this exemplary embodiments and are by no means as limiting the invention. The expert recognizes that the items disclosed in the present specification numerous variations and variations are accessible. All of these modifications and variations are considered to be within the invention to be considered proper, provided they fall under the field of Claims fall. In particular, it is understood that if more than one additional feature is described, these features are present in separate cellular individuals can, as far as this is intrinsically possible; without Restriction to this is exemplary in this context surface-active peptides expressing cells and additional Called oxidase expressing cells.
Kurze Beschreibung der Figuren:Brief description of the figures:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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