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238 KARRIERE, KÖPFE & KONZEPTE iGEM TU München Moos ganz groß – der PhyscoFilter VOLKER MORATH, ARNE SKERRA LEHRSTUHL FÜR BIOLOGISCHE CHEMIE, TU MÜNCHEN, FREISING-WEIHENSTEPHAN 10.1007/s12268-014-0433-2 © Springer-Verlag 2014 ó Im iGEM-Wettbewerb – international Gene- tically Engineered Machines competition (http://igem.org) – konzipieren und realisie- ren Studierende während eines zehnmonati- gen Zeitraums ein Wissenschaftsprojekt auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie. Im Jahr 2013 machte sich an der TU München ein Team von Studierenden an die Entwick- lung eines transgenen Mooses, das als nach- wachsender bioaktiver „PhyscoFilter“ Mikro- schadstoffe in Seen und Flüssen unschädlich machen soll. Für diesen Zweck wurde das Kleine Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens), das natürlicherweise mattenartig wächst (Abb. 1A), als Photosynthese betrei- bender „Chassis“-Organismus gewählt. Das anspruchslose Moos kann sogar in rei- nem Wasser wachsen, ist bereits als biotech- nologischer Produktionsorganismus etabliert, und die Herstellung transgener Pflanzen erschien innerhalb weniger Monate möglich. Die im Frühjahr 2013 entworfene Strategie zur Nutzbarmachung von P. patens als bio- aktiver pflanzlicher Filter bestand darin, des- sen Apoplast durch lokale Expression von heterologen Enzymen oder Bindeproteinen in ein Reaktionskompartiment zu verwan- deln. Hierbei wurden zwei Ansätze verfolgt: (1) die Sekretion löslicher Proteine in den extra- zellulären Raum zwischen Zellmembran und Zellwand und (2) die Immobilisierung funk- tioneller Proteine auf der Außenseite der Plas- mamembran durch einen synthetischen Membrananker (Abb. 1B). Für den Machbar- keitsnachweis des PhyscoFilters fiel die Wahl (a) auf Enzyme, z. B. die leicht nachweisbare NanoLuciferase, aber auch Laccase und eine Erythromycin-Estera- se, die Hormone oder Antibiotika abbauen können, (b) auf das grün fluoreszierende Protein (GFP) als Reporter sowie (c) auf Bindungsprotei- ne wie die Anticali- ne, um organische Verunreinigungen im Filtrat abzurei- chern (ggf. gefolgt von Entsorgung des verbrauchten Pflan- zenfilters). Der modulare Membrananker sowie die für beide Ansätze notwendige sekretorische Sig- nalsequenz wurden als BioBricks konstruiert, also als synthetische genetische Bausteine, flankiert von standardisierten Restriktions- schnittstellen. Dies gestattet die einfache Kom- bination mit verschiedenen funktionellen Pro- teinkomponenten, wobei auch auf BioBricks aus vergangenen Wettbewerbsjahren zurück- gegriffen werden konnte. Nach umfangreichen Klonierarbeiten konn- te unser Team P. patens im Sommer 2013 bei Ralf Reski in Freiburg – einem Spezialisten für Moosbiotechnologie – mit den syntheti- schen Genen transfizieren. Nach einmonati- ger Selektion und Regenerierung waren die ersten Klone bereit für den spannenden ersten Blick durch das Fluoreszenzmikroskop. Dabei zeigte sich auf Anhieb, dass das konzipierte hybride Membranprotein von den transgenen Moospflänzchen produziert wird und auch den Weg in die Zellmembran findet (Abb. 1C, D). In weiteren Experimenten gelang es außerdem, das dem Kulturmedium zugege- bene umweltrelevante Makrolidantibiotikum Erythromycin mithilfe von transgenem Moos abzubauen. Parallel hierzu überlegte sich das Team, wie man den PhyscoFilter in Gewässern prak- tisch einsetzen könnte. Abgesehen von leicht realisierbaren Kanalsystemen, in denen das transgene Moos von kontaminiertem Abwas- ser durchspült wird, entstand die Idee schwimmender Moosinseln, die kostengün- stig hergestellt und mobil auch in unterent- wickelten Regionen zur Anwendung kommen BIOspektrum | 02.14 | 20. Jahrgang ¯ Abb. 1: PhyscoFilter im iGEM-Wettbewerb. A, Das Moos Physcomitrella patens wurde gentechnisch verändert, um Umweltschadstoffe abzubau- en. B, Durch mit einem Membrananker versehene funktionelle Domänen wird der Apoplast zum Reaktionsraum. C, D, Das hybride Membranprotein wird im transgenen Moos produziert und findet den Weg in die Zellmem- bran sowohl in Gametophyten (C) als auch im Protonema (D). E, Team-Mit- glieder beim Test eines Prototyp-Trägersystems, auf dem das (hier nicht gentechnisch veränderte) Moss im Freiland eingesetzt werden könnte. F, Endausscheidung in Cambridge: „iGEM from above“ (Foto freundlicher- weise bereitgestellt von Justin Knight und der BioBrick Foundation).
