21.09.2021 - University of California, Riverside

Eigene Impfstoffe anbauen und essen?

Zuschuss ermöglicht Untersuchung von Pflanzen als mRNA-Fabriken

Die Zukunft der Impfstoffe sieht vielleicht eher so aus, dass man einen Salat isst, als dass man eine Spritze in den Arm bekommt. Wissenschaftler der UC Riverside untersuchen, ob sie essbare Pflanzen wie Salat in mRNA-Impfstofffabriken verwandeln können.

Die Messenger-RNA- oder mRNA-Technologie, die in COVID-19-Impfstoffen verwendet wird, bringt unseren Zellen bei, Infektionskrankheiten zu erkennen und uns vor ihnen zu schützen.

Eine der Herausforderungen bei dieser neuen Technologie besteht darin, dass sie kühl gelagert werden muss, um die Stabilität während des Transports und der Lagerung zu gewährleisten. Wenn dieses neue Projekt erfolgreich ist, könnten mRNA-Impfstoffe auf pflanzlicher Basis - die gegessen werden können - diese Herausforderung überwinden, da sie bei Raumtemperatur gelagert werden können.

Das Projekt, das durch einen Zuschuss der National Science Foundation in Höhe von 500.000 Dollar ermöglicht wurde, verfolgt drei Ziele: den Nachweis, dass die DNA mit den mRNA-Impfstoffen erfolgreich in den Teil der Pflanzenzellen eingebracht werden kann, in dem sie sich repliziert, den Nachweis, dass die Pflanzen genügend mRNA produzieren können, um einer herkömmlichen Impfung Konkurrenz zu machen, und schließlich die Bestimmung der richtigen Dosierung.

"Im Idealfall würde eine einzige Pflanze genug mRNA produzieren, um eine einzige Person zu impfen", sagte Juan Pablo Giraldo, ein außerordentlicher Professor am Fachbereich Botanik und Pflanzenwissenschaften der UCR, der die Forschungsarbeiten leitet, die in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der UC San Diego und der Carnegie Mellon University durchgeführt werden.

"Wir testen diesen Ansatz mit Spinat und Kopfsalat und haben das langfristige Ziel, dass die Menschen ihn in ihren eigenen Gärten anbauen", so Giraldo. "Landwirte könnten schließlich auch ganze Felder damit bepflanzen.

Der Schlüssel zum Erfolg sind Chloroplasten - kleine Organe in Pflanzenzellen, die Sonnenlicht in Energie umwandeln, die die Pflanze nutzen kann. "Sie sind winzige, solarbetriebene Fabriken, die Zucker und andere Moleküle produzieren, die es der Pflanze ermöglichen zu wachsen", so Giraldo. "Sie sind auch eine ungenutzte Quelle für die Herstellung erwünschter Moleküle".

In der Vergangenheit hat Giraldo gezeigt, dass Chloroplasten Gene exprimieren können, die von Natur aus nicht in der Pflanze vorkommen. Er und seine Kollegen taten dies, indem sie fremdes genetisches Material in einer Schutzhülle in die Pflanzenzellen einschleusten. Die Bestimmung der optimalen Eigenschaften dieser Hüllen für die Einbringung in Pflanzenzellen ist eine Spezialität von Giraldos Labor.

Für dieses Projekt hat sich Giraldo mit Nicole Steinmetz, Professorin für Nanoengineering an der UC San Diego, zusammengetan, um die von ihrem Team entwickelten Nanotechnologien zu nutzen, die das genetische Material in die Chloroplasten einschleusen sollen.

"Unsere Idee ist es, natürlich vorkommende Nanopartikel, nämlich Pflanzenviren, für die Genübertragung in die Pflanzen umzuwidmen", so Steinmetz. "Wir müssen die Nanopartikel so verändern, dass sie zu den Chloroplasten gelangen und für die Pflanzen nicht infektiös sind.

Für Giraldo ist die Chance, diese Idee mit mRNA zu entwickeln, die Erfüllung eines Traums. "Einer der Gründe, warum ich angefangen habe, in der Nanotechnologie zu arbeiten, war, dass ich sie auf Pflanzen anwenden und neue technologische Lösungen entwickeln konnte. Nicht nur für Lebensmittel, sondern auch für hochwertige Produkte wie Pharmazeutika", sagte Giraldo.

Er leitet auch ein ähnliches Projekt, bei dem Nanomaterialien verwendet werden, um Stickstoff, ein Düngemittel, direkt zu den Chloroplasten zu bringen, wo Pflanzen ihn am meisten brauchen.

Stickstoff ist in der Umwelt nur begrenzt vorhanden, aber Pflanzen brauchen ihn zum Wachsen. Die meisten Landwirte bringen Stickstoff in den Boden ein. Das hat zur Folge, dass etwa die Hälfte des Stickstoffs im Grundwasser landet, die Wasserwege verschmutzt, Algenblüten verursacht und mit anderen Organismen interagiert. Außerdem entsteht dabei Lachgas, ein weiterer Schadstoff.

Bei diesem alternativen Ansatz würde der Stickstoff über die Blätter in die Chloroplasten gelangen und dort kontrolliert freigesetzt werden, eine wesentlich effizientere Methode, die den Landwirten helfen und die Umwelt verbessern könnte.

Die National Science Foundation hat Giraldo und seinen Kollegen 1,6 Millionen Dollar für die Entwicklung dieser Technologie zur gezielten Stickstoffzufuhr gewährt.

"Ich bin sehr begeistert von dieser Forschung", sagte Giraldo. "Ich glaube, dass sie einen großen Einfluss auf das Leben der Menschen haben könnte".

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