Pflanzen werden zu Detektoren für gefährliche Chemikalien

Wissenschaftler bringen Pflanzen dazu, in Farben zu sprechen

26.10.2023

Symbolbild

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Was wäre, wenn Ihre Zimmerpflanze Ihnen sagen könnte, dass Ihr Wasser nicht sicher ist? Wissenschaftler sind der Verwirklichung dieser Vision einen Schritt näher gekommen. Es ist ihnen gelungen, eine Pflanze so zu manipulieren, dass sie sich in Gegenwart eines verbotenen, giftigen Pestizids rötlich verfärbt.

Um dies zu erreichen, mussten die Forscher der UC Riverside ein technisches Rätsel lösen: Wie kann man eine Pflanze in die Lage versetzen, eine Chemikalie in der Umwelt wahrzunehmen und darauf zu reagieren, ohne ihre Fähigkeit, in jeder anderen Hinsicht normal zu funktionieren, zu beeinträchtigen.

"Das Wichtigste dabei ist, dass wir einen Umweltsensor geschaffen haben, ohne den natürlichen Stoffwechsel der Pflanze zu verändern", sagt Ian Wheeldon, außerordentlicher Professor für Chemie- und Umwelttechnik an der UCR. "Früher hätte die Biosensorkomponente die Fähigkeit der Pflanze beeinträchtigt, in Richtung Licht zu wachsen oder bei Stress kein Wasser zu verbrauchen. Dies ist nicht der Fall."

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Ein neuer Artikel, der die chemischen Grundlagen dieser Errungenschaft beschreibt, wurde in der Zeitschrift Nature Chemical Biology veröffentlicht . Der Entwicklungsprozess beginnt mit einem Protein namens Abscisinsäure (ABA), das Pflanzen hilft, sich an stressige Veränderungen in der Umwelt anzupassen.

Während einer Dürre trocknet der Boden aus und die Pflanzen produzieren ABA. Zusätzliche Proteine, so genannte Rezeptoren, helfen der Pflanze, ABA zu erkennen und darauf zu reagieren. Dies wiederum veranlasst die Pflanze, die Poren in ihren Blättern und Stängeln zu schließen, so dass weniger Wasser verdunstet und die Pflanze weniger wahrscheinlich welkt.

Letztes Jahr hat das Forschungsteam gezeigt, dass ABA-Rezeptorproteine so trainiert werden können, dass sie an andere Chemikalien als ABA binden. Jetzt hat das Team gezeigt, dass sich die Pflanze nach der Bindung der Rezeptoren an diese andere Chemikalie rübenrot färbt.

Für diese Demonstration verwendete das Team Azinphos-ethyl, ein Pestizid, das vielerorts verboten ist, weil es für den Menschen giftig ist. "Die Menschen, mit denen wir zusammenarbeiten, versuchen, Informationen über Chemikalien in der Umwelt aus der Ferne zu erkennen", sagt Sean Cutler, UCR-Professor für Pflanzenzellbiologie. "Wenn man ein Feld mit diesen Pflanzen hätte und sie sich rot färben würden, wäre das visuell ziemlich offensichtlich."

Im Rahmen desselben Experiments demonstrierte das Forschungsteam auch die Fähigkeit, einen anderen lebenden Organismus in einen Sensor zu verwandeln: Hefe. Das Team war in der Lage, in Hefe eine Reaktion auf zwei verschiedene Chemikalien gleichzeitig zu zeigen. Bei Pflanzen ist dies jedoch noch nicht möglich.

"Es wäre großartig, wenn wir irgendwann eine Pflanze entwickeln könnten, die 100 verbotene Pestizide erkennt, ein One-Stop-Shop", so Cutler. "Je mehr man stapeln kann, desto besser, vor allem für Anwendungen im Bereich Umwelt und Gesundheit oder Verteidigung. Aber es gibt Grenzen für das, was wir derzeit für diese neuen Sensorkapazitäten entwickeln können.

Um es klar zu sagen: Diese Pflanzen werden nicht kommerziell angebaut. Das würde behördliche Genehmigungen erfordern, die viele Jahre dauern würden. Außerdem handelt es sich um eine neue Technologie mit einer Reihe von Problemen, die gelöst werden müssen, bevor sie auf den Feldern der Landwirte oder anderswo in der realen Welt eingesetzt werden kann. Die Entdeckung eröffnet jedoch neue Möglichkeiten.

"In dieser Arbeit wurde eine visuelle Reaktion auf eine Chemikalie in Pflanzen nachgewiesen. Wir versuchen, jede Chemikalie in einer Umgebung zu erkennen", sagte Cutler. "Andere Pestizide, aber auch Medikamente wie Antibabypillen oder Prozac in der Wasserversorgung, Dinge, über die sich die Menschen Sorgen machen, weil sie ihnen ausgesetzt sind. Das sind Anwendungen, die jetzt in Reichweite sind."

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Originalveröffentlichung

Sang-Youl Park, Jingde Qiu, Shuang Wei, Francis C. Peterson, Jesús Beltrán, Angélica V. Medina-Cucurella, Aditya S. Vaidya, Zenan Xing, Brian F. Volkman, Dmitri A. Nusinow, Timothy A. Whitehead, Ian Wheeldon, Sean R. Cutler; "An orthogonalized PYR1-based CID module with reprogrammable ligand-binding specificity"; Nature Chemical Biology, 2023-10-23

https://www.chemie.de/news/1181876/pflanzen-werden-zu-detektoren-fuer-gefaehrliche-chemikalien.html