Prof. Dr. Wolfgang Wohlleben
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31.10.2002

Ziel des Teilvorhabens war die Charakterisierung und Bereitstellung der Glutaminsynthetase-Gene zur Optimierung der Cyanophycinproduktion. Vier bakterielle Glutaminsynthetase(GS)-Gene (glnAI, glnA4, glnII, glnA aus S. coelicolor und E. coli) wurden bereitgestellt, um deren Expression und Einfluss auf die Synthese des N-haltigen Cyanophycins in Pflanzen zu analysieren. Weiterhin wurde untersucht, wie sich die Koexpression von drei Arginin-Biosynthese(Arg)-Genen (argJ, argC aus S. coelicolor und M. tuberculosis) auf die Vorstufen-Versorgung der Cyanophycinsynthetase auswirkt. An den bisher untersuchten Tabak-Transformanten konnten keine transgenen Enzymaktivitäten nachgewiesen werden. Die o.g. Plasmide wurden für die cytoplasmatische Gen-Expression konstruiert. Alternativ wurden Konstrukte erstellt, die eine plastidäre (organellenspezifische) Expression ermöglichen und zur Pflanzentransformation abgegeben. Die Funktionsüberprüfung der klonierten Glutaminsynthetase-Gene ergab, dass glnII und glnA in der Lage sind, für aktive Glutaminsynthetasen zu kodieren. Im Vergleich zum Wildtyp wurde eine deutliche Erhöhung der GS-Aktivität festgestellt. Voraussetzung für die Optimierung der Cyanophycinsynthese ist, dass die eingesetzten GS- und Arg-Gene nicht den pflanzeneigenen Regulierungsmechanismen unterliegen. Die Arbeiten haben gezeigt, dass die N-Regulation von S. coelicolor (Gram-positiv) sich deutlich von der von Pflanzen und Gram-negativen Organismen, wie E. coli unterscheidet. Der Effekt einer erhöhten GS-Aktuvität auf die Cyanophycinproduktion, sollte auch an einem bakteriellen System überprüft werden. Dazu wurden GS-Gene in einen Cyanophycinproduzierenden E. coli - Stamm eingebracht und Klone identifiziert, die sowohl das Cyanophycinsynthetase- als auch je eines der beiden GS-Gene tragen. Im Falle von glnII aus S. coelicolor konnte keine Steigerung der GS-Aktivität nachgewiesen werden, aber bei glnA aus E. coli war eine Verdopplung der Aktivität messbar.

Das Ziel des Verbundvorhabens ist es, in transgenen Kartoffelknollen das aus Blaualgen stammende Protein Cyanophycin herzustellen, das als Ausgangsstoff für das Biopolymer Polyaspartat genutzt werden kann. Polyaspartat ist biologisch abbaubar, nicht toxisch und hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise als Ersatzstoff für nicht biologisch abbaubare Polyacrylate in Detergentien, Lösungsmitteln und in der Ölproduktion. Cyanophycin soll als Nebenprodukt bei der industriellen Verwertung von Kartoffeln anfallen und daher äußerst kostengünstig sein. Das Ziel des Teilvorhabens 4 ist es, die transgene Synthese des N-haltigen Cyanophycins durch die Expression eines bakteriellen Glutaminsynthetase (GS)-Gens zu optimieren. Es sollen verschiedene bakterielle GS-Gene bereitgestellt werden und deren Expression in den Pflanzen molekularbiologisch analysiert werden.