Wissenschaftler haben Proteine verändert, die an der natürlichen Reaktion von Pflanzen auf Stress beteiligt sind, und sie zur Grundlage innovativer Tests für mehrere Chemikalien gemacht, darunter verbotene Pestizide und tödliche synthetische Cannabinoide.
Bei Trockenheit produzieren Pflanzen ABA, ein Hormon, das ihnen hilft, Wasser zu speichern. Zusätzliche Proteine, so genannte Rezeptoren, helfen der Pflanze, ABA zu erkennen und darauf zu reagieren. Die Forscher der UC Riverside konnten zeigen, dass diese ABA-Rezeptoren leicht so verändert werden können, dass sie schnell die Anwesenheit von fast 20 verschiedenen Chemikalien signalisieren.
Die Arbeit des Forscherteams bei der Umwandlung dieser pflanzlichen Moleküle wird in einem neuen Artikel der Zeitschrift Nature Biotechnology beschrieben.
Forscher müssen häufig alle Arten von Molekülen nachweisen, auch solche, die Menschen oder der Umwelt schaden. Zwar gibt es entsprechende Methoden, doch sind sie oft kostspielig und erfordern komplizierte Geräte.
"Es wäre ein grosser Fortschritt, wenn wir einen Schnelltest entwickeln könnten, mit dem wir feststellen können, ob eine gefährliche Chemikalie wie ein synthetisches Cannabinoid vorhanden ist. Diese neue Arbeit gibt anderen einen Fahrplan dafür", sagte Sean Cutler, ein UCR-Professor für Pflanzenzellbiologie und Mitautor der Arbeit.
Das Problem mit synthetischen Cannabinoiden ist etwas, das Cutler als "regulatorisches Wischiwaschi" bezeichnet. Weil sie Menschen ins Krankenhaus bringen, haben die Behörden versucht, sie in diesem Land zu verbieten. Allerdings tauchen jedes Jahr Dutzende neuer Versionen auf, bevor sie kontrolliert werden können.
"Unser System könnte so konfiguriert werden, dass es im Labor hergestellte Cannabinoid-Varianten so schnell erkennt, wie sie auf dem Markt erscheinen", sagte Cutler.
Das Forschungsteam hat auch gezeigt, dass sein Testsystem das Vorhandensein von Organophosphaten anzeigen kann, zu denen viele verbotene Pestizide gehören, die giftig und für den Menschen potenziell tödlich sind. Nicht alle Organophosphat-Pestizide sind verboten, aber wenn man in der Lage ist, die verbotenen Pestizide schnell aufzuspüren, könnten die Behörden die Wasserqualität überwachen, ohne teure Tests in Labors durchführen zu müssen.
Für dieses Projekt demonstrierten die Forscher das System in im Labor gezüchteten Hefezellen. In Zukunft möchte das Team die modifizierten Moleküle wieder in Pflanzen einsetzen, die als biologische Sensoren dienen könnten. In diesem Fall könnte eine Chemikalie in der Umgebung bewirken, dass Blätter bestimmte Farben annehmen oder ihre Temperatur verändern.
Obwohl sich die Arbeit auf Cannabinoide und Pestizide konzentriert, besteht der entscheidende Durchbruch in der Möglichkeit, mit einem einfachen und kostengünstigen System schnell Diagnosen für Chemikalien zu entwickeln. "Wenn wir dies auf viele andere chemische Klassen ausweiten können, ist dies ein grosser Schritt nach vorn, da die Entwicklung neuer Tests ein langsamer Prozess sein kann", sagte Ian Wheeldon, Mitautor der Studie und Chemieingenieur der UCR.
Diese Forschung wurde im Rahmen eines Vertrags mit dem Donald Danforth Plant Science Center zur Unterstützung des APT-Programms (Advanced Plant Technologies) der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) durchgeführt. Zu dem Team gehörten Wissenschaftler des Medical College of Wisconsin, der Michigan State University und des Donald Danforth Plant Science Center in St. Louis. Diese Arbeit wurde von dem Chemie- und Bioingenieur Timothy Whitehead von der University of Colorado, Boulder, unterstützt.
Bei der Entwicklung dieses Systems machten sich die Forscher die Fähigkeit des Pflanzenstresshormons ABA zunutze, Rezeptormoleküle ein- und auszuschalten. Im eingeschalteten Zustand binden sich die Rezeptoren an ein anderes Protein und bilden einen engen Komplex, der sichtbare Reaktionen wie das Leuchten auslösen kann. Whitehead, der an der Arbeit mitgewirkt hat, nutzte modernste Berechnungswerkzeuge, um die Rezeptoren neu zu entwerfen, was für den Erfolg der Arbeit der Gruppe entscheidend war.
"Wir nehmen ein Enzym, das im richtigen Kontext leuchten kann, und teilen es in zwei Teile auf. Ein Teil auf dem Schalter und der andere auf dem Protein, an das es bindet", so Cutler. "Dieser Trick, zwei Dinge in Gegenwart einer dritten Chemikalie zusammenzubringen, ist nicht neu. Unser Fortschritt besteht darin, dass wir den Prozess so umprogrammieren können, dass er mit vielen verschiedenen dritten Chemikalien funktioniert.
Literatur
Beltrán, J., Steiner, P.J., Bedewitz, M. et al. Rapid biosensor development using plant hormone receptors as reprogrammable scaffolds. Nat Biotechnol (2022)