DE19752666C2 - Verfahren zur Herstellung von verändertem Holz und dessen Verwendung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von verändertem Holz und dessen VerwendungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von verändertem Holz
unter Verwendung von Pflanzen, die ein rekombinantes DNA-Molekül enthalten, das
ein Enzym codiert, das in der Lage ist, die Bestandteile von pflanzlichen Zellwänden
zu verändern. Weiterhin betrifft die Erfindung Holz und Holzfasern, die aus dem
vorgenannten Verfahren gewonnen werden. Die vorliegende Erfindung betrifft
ebenfalls Zusammensetzungen, die derartiges Holz oder Fasern davon enthalten
und Verfahren zur Verarbeitung von Zellstoff unter Verwendung der vorstehend
beschriebenen Zusammensetzungen, Holz und Holzfasern. Schließlich betrifft die
vorliegende Erfindung Verwendungen der vorgenannten Pflanzen, des Holzes und
dessen Fasern sowie der oben definierten rekombinanten DNA-Moleküle in der
Holz-, Papier-, Nahrungsmittel-, Tierfuttermittel- und Brennstoffindustrie.
Holz ist ein wertvoller Rohstoff, der für eine Vielzahl von Produkten als
Ausgangsstoff dient und auch in der chemischen Industrie Anwendung findet. Bei
dem chemischen "Pulping" im Rahmen der Papierherstellung handelt es sich z. B.
um einen Prozeß, bei dem die Bestandteile des Holzes voneinander getrennt
werden, damit diese für industrielle Prozessierung geeignet vorliegen. Die
Entfernung des Lignins zur Freisetzung von Zellulose aus Holzmaterial bei der
Papierherstellung kann entweder durch Prozesse, die Sulfat (Kraft) oder Sulfit
beinhalten, bewerkstelligt werden. Bei dem Kraft Pulping werden etwa 90% des
Lignins während des alkalischen Kochens hydrolysiert. Die zurückbleibenden 10%
sind hauptsächlich für die braune Farbe von Kraft Pulpe und ungebleichtem Papier
verantwortlich. Man nimmt an, daß Lignin-Kohlenhydratkomplexe die Entfernung des
restlichen Lignins aus der Pulpe erschweren. Es kommt hinzu, daß gelöste Xylane
und Lignine die Tendenz zeigen, an der Oberfläche von Zellulose Mikrofibrillen zu
readsorbieren, wenn die Alkalikonzentration gegen Ende des Kraft Prozesses
abnimmt. Primäres Ziel des Bleichens ist es dann, das restliche Lignin aus der Pulpe
zu entfernen, ohne die Kohlenhydrate der Pulpe, besonders die Zellulose, zu
degradieren. Herkömmlicherweise, verwendet man für das Bleichen chemischer
Pulpe Chlor oder Chlordioxid.
Die Effluenten des chemischen Pulpings enthalten große Mengen chlorhaltiger
organischer Komponenten, die toxische, mutagene und karzinogene Wirkungen
aufweisen. Die steigende öffentlichen Besorgnis zu dieser Problematik zwingt die
Industrie, sich alternativen Technologien zuzuwenden. Aus diesem Grund wurde als
eine Alternative zum chemischen Pulping in den letzten Jahren das Biopulping
untersucht. Es handelt sich dabei um die Behandlung von Holzstückchen mit Lignin
abbauenden Organismen (z. B. Pilze). Darüber hinaus wurde das durch Enzyme
erleichterte Pulping ("Enzyme-aided Pulping") durch Zugabe von Hemizellulasen zur
Pulpe untersucht. Das Konzept des verbesserten Pulpings durch Enzymzugabe
beruhte auf der Erkenntnis, daß begrenzte Hydrolyse der Hemizellulose in der Pulpe
durch Hydrolasen, vor allem Xylanasen, die Extrahierbarkeit des Lignins aus der
Kraft Pulpe während des anschließenden Bleiche Prozesses erleichtern. Die
Vorbehandlung mit Xylanasen erlaubt die Verwendung von geringeren Chlorgehalten
während des Bleichvorganges von Kraftpulpe. Die Hemizellulose-Behandlungen,
zusammen mit chemischer Extraktion, führt zu einer signifikanten Verringerung des
restlichen Lignins in der Pulpe. Die Effizienz von Xylanasen basiert auf der
Zusammensetzung der Hemizellulose im Holz. Der Xylan-Bestandteil macht 5-11%
des Trockengewichtes in Kiefern (Weichholz) und 22 bis 30% in Birke (Hartholz)
aus. Die verbesserte Bleichbarkeit der Pulpe nach Vorbehandlung der Pulpe ist
wahrscheinlich auf die Hydrolyse der Lignin-Kohlenhydrat Verbindungen
zurückzuführen. Insgesamt haben die enzymatischen Vorbehandlungen dazu
geführt, daß der Verbrauch an Chemikalien und die Umweltbelastungen reduziert,
dagegen die finale Helligkeit der Pulpe erhöht werden konnte (zur Übersicht, siehe
Biotechnology in the Pulp and Paper Industry, vol ed.: K. E. L. Erikson, Advances in
Biochemical Engineering Biotechnology Vol 57, ed., T. Scheper, Springer-Verlag
Berlin, Heidelberg 1997). Allerdings ist die Herstellung der hemizellulolytischen
Enzyme, z. B. die der Xylanasen, die bei der Papierherstellung eingesetzt werden (in
Flüssigkultur durch Bakterien (vor allem Bacillus) und Pilze (vor allem Trichoderma))
kostspielig und aufwendig. Zudem müssen beim Biopulping mit Organismen diese so
modifiziert sein, daß sie nicht Zellulose abbauen. Außerdem müssen sie kultiviert
werden, was wiederum zeitintensiv und kostspielig ist. Ein weiterer Nachteil des
"Enzyme-aided" Pulpings kann in einer begrenzten Zugänglichkeit der Holzfasern für
das Enzym bestehen. Die mittlere Porengröße für externe Makromoleküle ist auf
etwa 1 nm begrenzt. Dies könnte das Eindringen von Enzymen während des
chemischen Pulpings, auch wenn bei diesem Prozeß die Porengrößen leicht
vergrößert werden, verhindern. Gleichfalls, beeinflussen viele Faktoren
Enzymreaktionen (pH, Temperatur, elektrochemische Interaktionen während des
Pulpings, die Art der Pulpe, d. h. Quelle, Produktionsmethode wie Mahlen etc.), die
unter Umständen nicht kompatibel mit den Bedingungen der anderen
Verfahrensschritte sind, was ihre Effizienz stark beeinträchtigen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur
Verfügung zu stellen, die die effiziente und kostengünstige Produktion von
Holzmaterial erlauben, das z. B. in der Zellstoffindustrie eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung der in den Patentansprüchen
gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von
verändertem Holz umfassend:
- a) Einführung eines rekombinanten DNA-Moleküls in Pflanzenzellen, Pflanzengewebe oder Pflanzen, wobei das rekombinante DNA-Molekül ein hydrolytisches Enzym codiert, das in der Lage ist, Bestandteile von pflanzlichen Zellwänden zu verändern;
- b) Regeneration einer transgenen Pflanze aus der Pflanzenzelle, Pflanzengewebe oder Pflanze aus Schritt (a); und
- c) Kultivierung der Pflanze aus Schritt (b) unter Bedingungen die
- a) die Bildung von Holz, und
- b) die Expression des Enzyms erlauben.
Der Begriff "Holz" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfaßt neben Holz im
herkömmlichen Sinne, das aus Tracheiden, Tracheen und Holzfasern besteht und z. B.
von Nadelbäumen oder Laubbäumen und Sträuchern gebildet wird, auch andere
Formen von Mark-, Holz- und Baststrahlen wie sie z. B. beim sekundären
Dickenwachstum bei einigen monokotyledonen Pflanzen anzutreffen sind und auch
Formen von sekundärem Phloem wie sie in Bast vorgefunden werden. Für den
Zweck der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Holz ebenfalls sekundäres
Abschlußgewebe wie Kork.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Enzym, das in
der Lage ist, Bestandteile von pflanzlichen Zellwänden zu verändern, ein Enzym
verstanden, das in der Lage ist, Strukturbestandteile von pflanzlichen Zellwänden zu
modifizieren. Dabei beschränken sich die Strukturbestandteile von pflanzlichen
Zellwänden nicht nur auf Strukturpolysaccharide wie z. B. Lignine, Zellulose,
Hemizellulosen und Pektinstoffe, sondern umfassen auch Strukturproteine und
Proteoglykane. Dabei umfassen Hemizellulosen beispielsweise Xylane,
Glucomannane, Mannane, Galactomannane, Glucuronomannane, Xyloglucane,
Callose, β-1,3,1-4-glucan und Arabinogalactan II. Pektine beinhalten Komponenten
wie Rhamnoglacturonane, Arabinane, Galactane und Galacturone. Die Veränderung
des Zellwandbestandteils durch das Enzym beinhaltet unter anderem, allerdings
nicht ausschließlich, die Hydrolyse von hetero- oder homomeren Polyglycanen oder
anderer, z. B. einer der vorgenannten Zellwandbestandteile, die Hydrolyse bzw.
Spaltung durch andere Mechanismen sowie die enzymatischen Veränderung von
einer der vorgenannten Zellwandbestandteile oder der Polymer-Glykan-Komplexe.
Die in Schritt (c) des Verfahrens eingesetzten Pflanzen sind dadurch
gekennzeichnet, daß das eingeführte rekombinante DNA-Molekül entweder
heterolog in Bezug auf die transformierte Zelle oder Pflanze ist, d. h. natürlicherweise
nicht in diesen Zellen oder Pflanzen vorkommt, oder an einem anderen Ort im
Genom lokalisiert ist als die entsprechende natürlicherweise auftretende Sequenz.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß unter Gewächshausbedingungen
Xylanase-exprimierende Pflanzen in Bezug auf Zellwand Charakteristika
unbeeinträchtigt sind, signifikante Zellwandveränderungen bei extensiver Bildung
von Sekundärzellwänden und Holz unter Freilandbedingungen auftreten.
Untersuchungen an transgenen Tabakpflanzen (Samsun NN), die konstitutiv eine
thermostabile Xylanase aus Clostridium thermocellum (XynZ) in der Zellwand
exprimierten (Herbers (1995) BIO/TECHNOLOGY 13, 63-66) ergaben, daß unter
Gewächshausbedingungen trotz der Bildung großer Mengen aktiver Xylanase Z in
den transgenen Pflanzen, diese Pflanzen phänotypisch den nicht-transformierten
Kontrollpflanzen entsprachen (Herbers (1995)). Die Abwesenheit von durch
Zellwandmodifikation und/oder Xylan-Degradation bedingten phänotypischen
Veränderungen in diesen transgenen Pflanzen wurde darauf zurückgeführt, daß die
Zellwandbestandteile möglicherweise den Enzymen in situ nicht zugänglich sind
(Herbers und Sonnewald, "Structure, Occurrence and Significance of Xylans in
Plants" in Transgenic Plants: A Production System for Industrial and Pharmaceutical
Proteins (1996), 191-200, ed. Owen and Pen, John Wiley & Sons NY USA).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden die vorgenannten transgenen
Pflanzen einem Freilandexperiment unterzogen. Jeweils 200 Pflanzen der zwei
stärksten exprimierenden homozygoten Linien (Nr. 34 und 46) wurden ausgepflanzt
und mit jeweils 200 Kontrollpflanzen verglichen. Es zeigte sich, daß die transgenen
Pflanzen im Gegensatz zu den Gewächshauspflanzen erhebliche
Wachstumseinbußen aufwiesen. Die am stärksten exprimierende Linie Nr. 46
erreichte nur ca. 62%, Linie Nr. 34 etwa 82% der Stengelhöhe von Wildtyp-Pflanzen
(Tabelle 1).
Experimente, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden,
ergaben, daß die Rinde zwischen Wildtyp- und Kontrollpflanzen vergleichbar ist,
während das Holz der transgenen eine deutliche Abnahme des Trockengewichtes,
und das Mark eine leichte Abnahme des prozentualen Trockengewichtes gegenüber
den Wildtyp-Pflanzen aufwies (Tabelle 3). Dies bedeutet, daß der Stengel,
insbesondere der Holzanteil in den transgenen Pflanzen verändert ist. Es konnte
ebenfalls nachgewiesen werden, daß sowohl Rinde, Mark als auch Holz der
transgenen Pflanzen signifikante Xylanase-Aktivität enthielten. Dies läßt den Schluß
zu, daß die in vivo aktive Xylanase zu Veränderungen des Stengels insbesondere
des Holzes führt.
Aus der obigen Darlegung wird ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung die
Produktion von modifiziertem Holz in vitro und in situ erlaubt. Die Erfindung umfaßt
somit ein Verfahren, Zellwand-modifizierende Enzyme in Pflanzenstengeln und -
stämmen zu produzieren, indem Pflanzen mit einem pflanzlichen Expressionsvektor
transformiert werden. Dieser Vektor enthält einen Promotor, eine DNA Sequenz, die
ein Enzym, wie es oben definiert ist oder einen aktiven Teil des Enzyms kodiert, und
eine Sequenz, die das Enzym in ein zelluläres Kompartment dirigiert. Die
transformierten Pflanzen produzieren in vivo modifiziertes Holz oder Stengel (bzw.
Stamm)-Zusammensetzungen, die für die Veränderungen von Holzbiomasse
geeignet sind. Diese Veränderungen können Eigenschaften betreffen, die bei der
Holz- und Papierherstellung, wie auch bei der Herstellung von Nahrungs- und
Futtermitteln, von Bedeutung sind. In dem Fall, wo das Enzym in einem zellulären
Kompartiment, das sich von der Zellwand unterscheidet, exprimiert wird, können die
Zellwände in situ nach Aufbrechen der Zellen modifiziert werden.
DNA-Sequenzen, die ein Zellwand-modifizierendes Enzym codieren, sind dem
Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B. Knowles, Trends
Biotechnology 5 (1987), 255-261; Gilkes, Microbiological Reviews 55(2) (1991), 303-
315; Biely, Trends Biotechnology 3(11) (1985), 286-290; Wong, Microbiological
Reviews 52(3) (1988), 305-317) und können aus natürlichen Quellen isoliert werden,
z. B. Pilzen und Bakterien, oder können nach bekannten Verfahren synthetisiert
werden.
Mittels gängiger molekularbiologischer Techniken ist es möglich (siehe z. B.
Sambrook, 1989, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, 2. Aufl. Cold Spring
Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY), verschiedenartige Mutationen in
die DNA-Sequenz, die ein Zellwand-modifiziertes Enzym codiert, einzuführen,
wodurch es zur Synthese von Enzymen mit eventuell veränderten biologischen
Eigenschaften kommt. Hierbei ist zum einen die Erzeugung von Deletionsmutanten
möglich, bei denen z. B. durch fortschreitende Deletionen vom 5'- oder vom 3'-Ende
der codierenden DNA-Sequenz, die Synthese entsprechend verkürzter Enzyme oder
deren enzymatisch aktiver Teil erreicht werden kann. Ferner ist es möglich, gezielt
Enzyme herzustellen, die durch Addition entsprechender Signalsequenzen in
bestimmten Kompartimenten der Pflanzenzelle lokalisiert sind. Derartige Sequenzen
sind bekannt (siehe beispielsweise Braun, EMBO J. 11 (1992), 3219-3227; Wolter,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85 (1988), 846-850; Sonnewald, Plant J. 1 (1991), 95-
106).
Andererseits ist auch die Einführung von Punktmutationen denkbar an Positionen,
bei denen eine Veränderung der Aminosäuresequenz einen Einfluß beispielsweise
auf die Enzymaktivität oder die Regulierung des Enzyms hat. Auf diese Weise
können z. B. Mutanten hergestellt werden, die einen veränderten Km-Wert besitzen
oder nicht mehr den normalerweise in der Zelle vorliegenden
Regulationsmechanismen über allosterische Regulation oder kovalente
Modifizierung unterliegen.
Des weiteren können Mutanten hergestellt werden, die eine veränderte Substrat-
oder Produktspezifität aufweisen. Weiterhin können Mutanten hergestellt werden, die
ein verändertes Aktivitäts-Temperatur-Profil aufweisen.
Für die gentechnische Manipulation in prokaryontischen Zellen können die
rekombinanten DNA-Moleküle oder Teile dieser Moleküle in Plasmide eingebracht
werden, die eine Mutagenese oder eine Sequenzveränderung durch Rekombination
von DNA-Sequenzen erlauben. Mit Hilfe von Standardverfahren (vgl. Sambrook,
1989, Molecular Cloning: A laboratory manual, 2. Aufl., Cold Spring Harbor
Laboratory Press, NY, USA) können Basenaustausche vorgenommen oder
natürliche oder synthetische Sequenzen hinzugefügt werden. Für die Verbindung der
DNA-Fragmente untereinander können an die Fragmente Adaptoren oder Linker
angesetzt werden. Ferner können Manipulationen, die passende
Restriktionsschnittstellen zur Verfügung stellen oder die überflüssige DNA oder
Restriktionsschnittstellen entfernen, eingesetzt werden. Wo Insertionen, Deletionen
oder Substitutionen in Frage kommen, können in vitro-Mutagenese, "primer repair",
Restriktion oder Ligation verwendet werden. Als Analysemethode werden im
allgemeinen eine Sequenzanalyse, eine Restriktionsanalyse und weitere
biochemisch-molekularbiologische Methoden durchgeführt.
Neben dem rekombinanten DNA-Molekül, das für ein zur Zellwandmodifikation
befähigtes Enzym oder Protein codiert, kann die Pflanze, die in einem der
erfindungsgemäßen Verfahren oder Verwendungen benutzt oder hergestellt wird,
weitere rekombinante DNA-Moleküle enthalten, die z. B. für den Pflanzenschutz oder
Qualitätssteigerungen der Pflanze oder deren Ernteprodukte benutzt werden
können. Beispiele für Pflanzenschutzmaßnahmen sind: (i) Herbizidtoleranz (DE-A-
37 01 623; Stalker (1988) Science 242, 419), (ii) Insektenresistenz (Vaek (1987) Plant
Cell 5, 159-169), (iii) Virusresistenz (Powell (1986) Science 232, 738-743) und (vi)
Ozonresistenz (Van Camp (1994) BioTech. 12, 165-168). Beispiele für
Qualitätssteigerungen sind: (i) Erhöhung der Haltbarkeit von Früchten (Oeller (1991)
Science 254, 437439), (ii) Erhöhung der Stärkeproduktion in Kartoffelknollen (Stark
(1992) Science 242, 419), (iii) Veränderung der Stärke- (Visser (1991) Mol. Gen.
Genet. 225, 289-296) und Lipidzusammensetzung (Voelker (1992) Science 257, 72-
74) und (iv) Produktion pflanzenfremder Polymere (Porier (1992) Science 256, 520-
523).
Grundvoraussetzung für die Erzeugung transgener Pflanzen ist die Verfügbarkeit
geeigneter Transformationssysteme. Zur Transformation stehen derzeit mehrere
Verfahren zur Verfügung. Die am häufigsten eingesetzte Methode zur
Transformation dikotyledoner Pflanzen ist der Agrobacterium-vermittelte Gentransfer.
Hierbei wird die natürliche Fähigkeit des Bodenbakteriums ausgenutzt, genetisches
Material in das pflanzliche Genom zu integrieren. Weitere geeignete Verfahren sind
beispielsweise Protoplasten-Transformation durch Polyethylenglykol-induzierte DNA-
Aufnahme, Elektroporation, Sonikation oder Mikroinjektion sowie die Transformation
intakter Zellen oder Gewebe durch Mikro- oder Makroinjektion in Gewebe oder
Embryonen, Gewebeelektroporation, Inkubation trockener Embryonen in DNA-
haltiger Lösung, Vakuuminfiltration von Samen und biololistischer Gentransfer (zur
Übersicht: siehe z. B. Potrykus, Physiol. Plant (1990), 269-273 und Christou (1996)
Trends in Plant Science 1, 423-431).
Während die Transformation dikotyler Pflanzen über Ti-Plasmid-Vektorsysteme mit
Hilfe von Agrobacterium tumefaciens wohl etabliert ist, weisen neuere Arbeiten
darauf hin, daß auch monokotyle Pflanzen der Transformation mittels Agrobacterium
basierender Vektoren sehr wohl zugänglich sind (Chan, Plant Mol. Biol. 22 (1993),
491-506; Hiei, Plant J. 6 (1994), 271-282; Bytebier, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 84
(1987), 5345-5349; Raineri, Bio/Technology 8 (1990), 33-38; Gould, Plant Physiol.
95 (1991), 426-434; Mooney, Plant, Cell Tiss. & Org. Cult. 25 (1991), 209-218; Li,
Plant Mol. Biol. 20 (1992), 1037-1048). Die Methoden zur Einführung fremder DNA
unter Verwendung des biolistischen Verfahrens oder durch
Protoplastentransformation sind bekannt (vgl. z. B. Christou (1996) Trends in Plant
Science 1, 423-431; Willmitzer, L., 1993 Transgenic plants. In: Biotechnology, A
Multi-Volume Comprehensive Treatise (H. J. Rehm, G. Reed, A. Pühler, P. Stadler,
eds.), Vol. 2, 627-659, VCH Weinheim - New York - Basel - Cambridge). Drei der oben
genannten Transformationssysteme konnten in der Vergangenheit für verschiedene
Getreide etabliert werden: die Elektroporation von Gewebe, die Transformation von
Protoplasten und der DNA-Transfer durch Partikel-Beschuß in regenerierbare
Gewebe und Zellen (zur Übersicht: Jähne, Euphytica 85 (1995), 35-44). Die
Transformation von Weizen wird in der Literatur verschiedentlich beschrieben (zur
Übersicht: Maheshwari, Critical Reviews in Plant Science 14 (2) (1995), 149-178).
Der Fachmann kann auf die Marker zur Selektion transformierter Pflanzenzellen,
Pflanzengewebe und Pflanzen zurückgreifen. Die transgenen Pflanzenzellen können
nach dem Fachmann bekannten Techniken zu ganzen Pflanzen regeneriert werden.
In Abhängigkeit des gewählten Promotors (z. B. 35S CaMV) sind auch die adulten
Pflanzen resistent gegen das Selektionsmittel und können durch Gabe dieser
Verbindung selektioniert werden. Bei Verwendung von z. B. gewebespezifischen
Promotoren entfällt diese Möglichkeit und der Fachmann kann z. B. auf
molekularbiologische Methoden wie PCR zurückgreifen, um diese Pflanzen zu
identifizieren. Auf der anderen Seite kann der Fachmann natürlich auch, z. B. nach
Selbstung oder Rückkreuzung gegen den Elter, Samen solcher Pflanzen auf
selektiven Medien auslegen und anhand der Keimfähigkeit dieser Samen oder
Überleben der Pflanzen in einem späteren Stadium der Entwicklung (abhängig vom
gewählten Promotor) rückschließen, ob die Pflanzen transgen sind oder nicht. Bei
den transgenen Pflanzen kann es sich prinzipiell um Pflanzen jeder beliebigen
Pflanzenspezies handeln, d. h. sowohl monokotyle als auch dikotyle Pflanzen, die in
der Lage sind, Holz zu bilden. Bevorzugt handelt es sich um Nadel- oder
Laubbäume und Sträucher. Geeignete Transformationssysteme für solche Pflanzen
sind z. B. in Leple, Plant Cell Reports 11 (1992), 137-141, beschrieben.
Da unabhängig vom Transformationsverfahren nur wenige Zellen die gewünschten
Eigenschaften tragen, wird in herkömmlicher Weise neben dem Zielgen ein
selektionierbarer Marker in das pflanzliche Genom integriert, der die Identifizierung
transgener Zellen ermöglicht. Derzeit werden zur Selektion transformierter
Pflanzenzellen vornehmlich Gene eingesetzt, die eine Herbizid- oder
Antibiotikatoleranz vermitteln. Geeignete Resistenzgene sind beispielsweise das bar-
Gen aus Streptomyces hygroscopicus, das Resistenz gegen das Totalherbizid
Phosphinothricin vermittelt (De Block (1987) EMBO J. 6, 2513-2518) oder das nptII-
Gen aus dem Transposon Tn5 von Escherichia coli, das Resistenz gegen das
Antibiotikum Kanamycin bewirkt (Herrera-Estrella (1983) EMBO J. 2, 987-995).
Weitere Selektionssysteme sind z. B. Expression einer Mannose-6-Phosphat
Isomerase und positive Selektion auf Mannose-haltigen Nährmedien (WO 94/20627)
und Expression einer 2-Desoxyglucose-6-Phosphat (2-DOG-6-P) Phosphatase und
Selektion mit nicht-metabolisierbaren glucoseanalogen Verbindungen wie 2-DOG
(EP 97 10 58 55.7). Ein weiteres Verfahren nutzt die Fähigkeit einer Deaminase aus
Aspergillus terreus aus, das Insektizid Blasticidin S zu detoxifizieren (Tamura (1995)
Biosci. Biotechnol. Biochem. 59, 2336-2338). Natürlich weiß der Fachmann, daß der
Selektionsmarker nicht unbedingt in dem Vektor, der das rekombinante DNA-Molekül
enthält, anwesend sein muß, sondern auch mit diesen co-transformiert werden kann
(Lyznik (1989) Plant Mol. Biol. 13, 151-161; Peng (1995) Plant Mol. Biol. 27, 91-104).
Diese Möglichkeit bietet sich zum Beispiel an, wenn keine physikalische Kopplung
des Markergens und der zu übertragenden Information gewünscht wird. In diesem
Fall können nach der Selektion der primären transgenen Pflanze das Markergen und
die gewünschte Information in nachfolgenden Kreuzungen unabhängig voneinander
segregieren. Eine weitere Strategie, markerfreie transgene Pflanzen zu erzeugen, ist
die Verwendung von Sequenz-spezifischen Rekombinasen. Zu diesem Zweck sind
z. B. zwei Strategien einsetzbar: (i) Re-Transformation einer Rekombinase
exprimierenden Ausgangslinie und Auskreuzung der Rekombinase nach erfolgter
Entfernung des Selektionsmarkers, welches mit dem gewünschten Gen assoziiert
war. (ii) Co-Transformation mit anschließender Auskreuzung. Voraussetzung für
diese Rekombinase-Strategie sind (i) Flankierung des Selektionsmarkers mit
Erkennungssequenzen für die Rekombinase und (ii) eine Rekombinase, die in
Pflanzen aktiv ist und keine Pflanzen-eigenen Sequenzen zur Rekombination nutzt.
Derartige Verfahren kann der Fachmann dem Stand der Technik entnehmen, z. B.
RecA (Reiss (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 3094-3098), Cre/Iox (Bayley
(1992) Plant Mol. Biol. 18, 353-361), FLP/FRT (Lloyd (1994) Mol. Gen. Genet. 242,
653-657), Gin (Maeser (1991) Mol. Gen. Genet. 230, 170-176) und R/RS (Onouchi
(1991) Nucl. Acids Res. 19, 6373-6378).
Die Bedingungen zur Kultivierung der Pflanzen werden so gewählt, daß die
Holzbildung und wenigstens zu einem bestimmten Zeitpunkt die Expression des
Enzyms gewährleistet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Kultivierung unter
Freilandbedingungen statt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die
Pflanze Tabak, Pinie, Pappel, Eukalyptus, Erbse, Klee, eine Getreidepflanze oder ein
Laub- oder Nadelbaum.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist das hydrolytische Enzym eine Cellulase, Hemicellulase, besonders bevorzugt eine
Pektinase, Xylanase, Mannanase oder ein Lignin-degradierendes Enzym, z. B.
Phenolperoxidase oder Laccase. Wie in Herbers et al. (1995) beschrieben, kann die
Expression einer verkürzten Form des Enzyms vorteilhaft für dessen Stabilität
und/oder Prozessierung in der Pflanzen- bzw. Pflanzenzellen sein. Außerdem kann
es vorteilhaft sein, das Enzym in einer de- oder
unglykosilierten Form zu exprimieren. Das kann z. B. durch Aminosäuredeletion
und/oder -Substitution der Glycosilierungsstellen in der Aminosäuresequenz des
Enzyms erreicht werden. Gleichfalls besteht die Möglichkeit, das Enzym als
Fusionsprotein zu exprimieren. Diese Ausführungsform bietet sich z. B. an, wenn
verschiedene enzymatische Aktivitäten in einem Protein vereint werden sollen,
beispielsweise die Kombination zellulolytischer mit hemizellulolytischer Aktivitäten für
eine effiziente Spaltung von Ligno-Glykan-Komplexen. Bei der Kombination von
Parentalgenen, die für Proteine mit verschiedenen Eigenschaften kodieren,
beispielsweise im Hinblick auf Thermostabilität und Substratspezifität, können
Hybridgene entstehen, deren Translationsprodukt beide Eigenschaften beinhalten
(Olsen, Mol. Gen. Genet. 225 (1991), 177-185).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist das DNA-Molekül funktionell mit einer DNA-Sequenz verknüpft ist, die
ein Signalpeptid für die Zellwand, die Vacuole, ein Plastid oder Mitochondrium oder
das endoplasmatische Reticulum codiert. Es ist dabei vorteilhaft, wenn das
Signalpeptid in der Lage ist, das Enzym in ein Zellkompartiment zu dirigieren.
Bevorzugte Beispiele für geeignete Signalpeptide sind z. B. das Proteinaseinhibitor-
II-Signalpeptid, das Patatin-Vacuole-Signalpeptid oder das plastidiäre Transketolase-
Transitpeptid ist. Vorzugsweise ist das Zellkompartiment der apoplasmatische Raum
oder die Vacuole.
Zur Expression der Zellwand-modifizierenden Enzyme in Pflanzen sind die sie
codierenden Nucleotidsequenzen mit regulatorischen Sequenzen verknüpft, die die
Transkription in pflanzlichen Zellen gewährleisten. Hierzu zählen insbesondere
Promotoren. Generell kommt für die Expression jeder in pflanzlichen Zellen aktive
Promotor in Frage. Der Promotor kann dabei so gewählt sein, daß die Expression
konstitutiv erfolgt oder nur in einem bestimmten Gewebe, zu einem bestimmten
Zeitpunkt der Pflanzenentwicklung oder zu einem durch äußere Einflüsse
determinierten Zeitpunkt. In Bezug auf die Pflanze kann der Promotor homolog oder
heterolog sein. Sinnvoll für die Expression der Zellwand-verändernden Enzyme in
den genannten Bereichen erscheinen Expressionsmuster, die je nach Anwendung
konstitutiv, organ-spezifisch oder induzierbar sein können. Vorteilhaft sind in diesem
Zusammenhang der 35S Promotor des Blumenkohlmosaik-Virus und der Ubiquitin-
Promotor für eine konstitutive Expression, für eine blattspezifische Expression in
source-Geweben der Promotor der zytosolischen Fruktose-1,6-bisphosphatase
(Marcus Ebneth, 1996, Inaugural-Dissertation an der FU Berlin, Expressionsanalyse
des Promotors einer zytosolischen Fruktose-1,6-bisphosphatase aus Kartoffel in
transgenen Tabak- und Kartoffelpflanzen) und für eine samenspezifische Expression
der Phaseolin Promotor aus Bohne (Senguptal-Gopalan, (1985) Proc. Natl. Acad.
Sci. USA 82, 3320-3324). Vorteilhaft kann eine induzierbare Expression sein
(zusammengefaßt in Ward (1993) Plant Mol. Biol. 22, 361-366). Eine Übersicht
weiterer in Frage kommender Promotoren ist z. B. in Ward (1993) Plant Mol. Biol. 22,
361-366 gegeben. Ferner ist eine Transkriptions-Terminationssequenz vorhanden,
die der korrekten Beendigung der Transkription dient sowie der Addition eines Poly-
A-Schwanzes an das Transkript dienen kann, dem eine Funktion bei der
Stabilisierung der Transkripte beigemessen wird. Derartige Elemente, z. B. der
Terminator des Octopinsynthasegens aus Agrobakterien, sind in der Literatur
beschrieben (vgl. Gielen, EMBO J. 8 (1989), 23-29) und sind beliebig austauschbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die
Expression oder Aktivität des Enzyms induzierbar, vorzugsweise durch Temperatur,
pH-Wert, organische oder anorganische Verbindungen, oder durch
Dekompartimentierung. Für den Fall der Dekompartimierung ist daran gedacht, das
Enzym in einem anderen Zellkompartiment, als die Zellwand zu exprimieren. Bei sich
anschließenden Methoden, die zum Aufschluß von Zellen durch beispielsweise
mechanisches Mahlen oder Zerreiben, Hitzebehandlung usw. führen, wird das
Enzym aus dem entsprechenden Kompartiment freigesetzt und kann enzymatisch an
der Zellwand angreifen.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung Holz, daß nach einem der
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist oder Fasern davon sowie
Zusammensetzungen, die das Holz oder Fasern davon enthalten. Derartige
Zusammensetzungen können weiterhin Pflanzenbiomasse, vorzugsweise Holz oder
Fasern davon enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Behandlung von Zellstoff, umfassend die Verarbeitung des erfindungsgemäßen
Holzes oder Fasern davon oder einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung unter
geeigneten Reaktionsbedingungen. Derartige Reaktionsbedingungen sind z. B.
beschrieben in WO 97/27306, WO 95/02044, WO 94/21785, WO 93/25671, WO 92/13942
und in Erikson (1997). In einer bevorzugten Ausführungsform des
vorgenannten Verfahrens beträgt die Verarbeitungstemperatur 15°C bis 90°C,
vorzugsweise 60°C bis 85°C, besonders bevorzugt 65°C bis 75°C.
In einer weiteren Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren das In-
Kontakt-Bringen des Holzes oder der Zusammensetzung mit Enzymen oder
Verbindungen, die die Qualität des Zellstoffs beeinflussen können. Beispiele für
geeignete Enzyme können dem Stand der Technik entnommen werden, z. B. den
oben aufgeführten Referenzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Nahrungsmittel und Tierfutter, umfassend
erfindungsgemäßes Holz oder Fasern davon oder eine erfindungsgemäße
Zusammensetzung oder ein Abkömmling davon, der z. B. durch weitere in der
Nahrungs- und/oder Tierfuttermittel übliche Verarbeitungsschritte aufbereitet wurde.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung einer Pflanze, die mindestens ein
rekombinantes DNA-Molekül enthält, das ein Zellwand-modifizierendes Enzym
codiert zur Herstellung von modifiziertem Holz. Um in Genuß der Vorteile des
erfindungsgemäßen Verfahrens zu kommen, muß der Fachmann nicht unbedingt die
Schritte (a) und (b) durchführen, falls z. B. bereits transgene Pflanzen vorhanden
sind, die bereits ein Zellwand-modifizierendes Enzym exprimieren, das durch z. B.
eine der vorgenannten Methoden in die Pflanze eingebracht worden ist, wobei diese
transgene Pflanze vormals nicht unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens kultiviert wurde und daher der Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht erreicht werden konnte.
Wie oben bereits dargelegt, stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur
Verfügung, die die in vivo und in situ Modifikation von Holz erlauben und somit die
kostengünstige Herstellung von Produkten ermöglicht, die von dem Rohstoff Holz
bzw. dessen Verarbeitungsprodukten mittelbar oder unmittelbar abhängig sind.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung einer Pflanze, eines
rekombinanten DNA-Moleküls, Holz bzw. Fasern davon und Zusammensetzungen,
wie sie in vorstehenden Ausführungsformen beschrieben sind zur Herstellung von
Futter- oder Nahrungsmitteln, zur Verringerung der Viskosität von
Pflanzenbiomasse, zur Herstellung von Zellstoff und/oder Papier, zum Holz-Zellstoff-
Biobleichen, zum Abbau von landwirtschaftlichen Abfällen oder zur Produktion von
alkoholischen Brennstoffen.
Diese und andere Ausführungsformen sind dem Fachmann offenbart und umfaßt
durch die Beschreibung und die Beispiele der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel
kann weiterführende Literatur zu einer der oben angeführten Verfahren, Mittel und
Verwendungen, die im Sinne der vorliegenden Erfindung angewendet werden
können, dem Stand der Technik entnommen werden, z. B. aus öffentlichen
Bibliotheken unter z. B. der Benutzung von elektronischen Hilfsmitteln. Zu diesem
Zweck bieten sich unter anderem öffentliche Datenbanken an, wie die "Medline", die
über Internet zur Verfügung stehen, z. B. unter der Adresse
http:/ / www.ncbi.nih.gov/PubMed/medline.html. Weitere Datenbanken und Adressen
sind dem Fachmann geläufig und können aus dem Internet entnommen werden, z. B.
http:/ / www.ncbi.nlm.nih.gov/, http: / /www.tigr.org/, http:/ / www.infobiogen.fr/,
http:/ / www.fmi.ch/biology/research_tools.html oder unter der Adresse
htttp:/ / www.lycos.com. Eine Übersicht über Quellen und Informationen zu Patenten
bzw. Patentanmeldungen in der Biotechnologie ist in Berks, TIBTECH 12 (1994),
352-364 gegeben.
Die Figuren zeigen:
Stengelwachstum Xylanase exprimierender transgener Tabakpflanzen im Vergleich
zum Wildtyp.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Die Herstellung von transgenen Tabakpflanzen (Samsun NN), die konstitutiv eine
Xylanase aus Clostridium thermocellum (XynZ) in der Zellwand exprimieren, wurde
wie in Herbers (1995) BIO/TECHNOLOGY 13, 63-66 beschrieben, durchgeführt.
Zur Durchführung des Freilandexperimentes wurden jeweils 200 Wildtyp-
Tabakpflanzen und je 200 Pflanzen der Xylanase-exprimierenden Linien Nr. 34 und
Nr. 46 aus Samen der F5 Generation angezogen. 5 Wochen nach Aussaat am 17.
April 1997, wurden am 26. Mai 1997 die im Gewächshaus vorkultivierten Pflänzchen
ins Freiland auf dem Gelände des Institutes für Pflanzengenetik und
Kulturpflanzenforschung in Gatersleben ausgepflanzt. Die Stengelgröße betrug ca. 3 cm.
Die Stengelhöhe von je 10 Pflanzen der drei Linien wurden über 7 Tage (vom 2.-9.
Juli) in der frühen Wachstumsperiode mit einem Zentimetermaß vermessen und die
Wachstumsrate/Tag bestimmt. Das Stengelwachstum pro Tag (in cm) betrug 3.8 ±
0.74 (Kontrolle), 2.6 ± 0.48 (34) und 2.5 ± 0.38 (46). Das Ergebnis ist in Fig. 1
dargestellt. Die Längenmessungen der Stengel am 20.08.97 von je 10 Pflanzen
jeder Linie vom Wurzelhals bis zur längsten Spitze ergab Gesamt-Längen (in cm)
von 127.3 ± 4.9 (WT), 104.5 ± 5.9 (34) und 79.4 ± 7.4 (46) (Tabelle 1).
Nachfolgend wurden Frisch- und Trockengewichtsbestimmungen von Stengeln,
einschließlich ihrer Bestandteile Rinde, Holz und Mark (am 20.08., 25.08., 01.09.),
durchgeführt. Für die Gewichtsbestimmungen wurde ein 20 cm langes Segment
eines Stengels 4 cm oberhalb des Wurzelhalses abgesägt. Dieses wurde gewogen,
und anschließend die Rinde mit einem Skalpell abgeschabt. Die Differenz des
Gewichtes vor (Gesamt-Stengel) und nach Abschaben der Rinde (Holz und Mark)
ergab das Frischgewicht der Rinde. Anschließend wurde das Mark aus dem Holz
herausgekratzt, und der Holzanteil gewogen. Der Markanteil ergab sich rechnerisch
aus der Differenz zwischen Holz/Mark und dem Holz nach Entfernung des Marks.
Zur Trockengewichtsbestimmung wurden Rinde, Mark und Holz lyophyllisiert und
nach Trocknung gewogen.
Die Daten sind Mittelwerte ± Standardabweichung von jeweils 30 Pflanzen und
entstammen Messungen vom 20.08., 25.08. und 01.09.1997. Die Anteile von
Rinde, Holz und Mark sind Gewichtsanteile in % zum Gesamtgewicht des jeweiligen
Stengelsegmentes. Stengelsegmente lagen ca. 2 cm über der Wurzelinitiation und
waren 20 cm lang. Das Frischgewicht/20 cm Stengel war in den transgenen Linien
gegenüber dem Wildtyp leicht erhöht. Diese Erhöhung wurde durch eine signifikante
Steigerung des Marks verursacht (Tabelle 2). Während der Anteil der Rinde am
Gesamt-Stengel unverändert blieb, war das FG des Holzes in den Transgenen
gegenüber dem der Kontrollen leicht reduziert (Tabelle 2). Der
Trockengewichtsanteil der Rinde am Frischgewicht war unverändert. Jedoch war der
Trockengewichtsanteil des Marks gegenüber den Kontrollpflanzen leicht und der des
Holzes stark gegenüber den Wildtypen reduziert (Tabelle 3).
Die Daten sind Mittelwerte ± Standardabweichung von jeweils 10 Pflanzen, geerntet
am 01.09.1997.
Aus den oben dargestellten Ergebnissen geht hervor, daß aufgrund der Expression
der Xylanase die Zusammensetzung des Holzes der transgenen Pflanzen signifikant
gegenüber der der Wildtyp-Pflanzen verändert ist.
Claims (21)
1. Verfahren zur Herstellung von verändertem Holz umfassend:
- a) Einführung eines rekombinanten DNA-Moleküls in Pflanzenzellen, Pflanzengewebe oder Pflanzen, wobei das rekombinante DNA-Molekül ein hydrolytisches Enzym codiert, das in der Lage ist, Bestandteile von pflanzlichen Zellwänden zu verändern;
- b) Regeneration einer transgenen Pflanze aus der Pflanzenzelle, Pflanzengewebe oder Pflanze aus Schritt (a); und
- c) Kultivierung der Pflanze aus Schritt (b) unter Bedingungen die
- a) die Bildung von Holz, und
- b) die Expression des Enzyms erlauben.
2. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kultivierung unter Freilandbedingungen
durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pflanze Tabak, Pinie, Pappel,
Eukalyptus, Erbse, Klee, eine Getreidepflanze oder ein Laub- oder Nadelbaum
ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Enzym eine
Cellulase, Hemicellulase, vorzugsweise eine Pektinase, Xylanase, Mannanase
oder ein Lignin-degradierendes Enzym, insbesondere Phenolperoxidase oder Laccase
ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Enzym in einer
verkürzten Form exprimiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Enzym de- oder
unglykosiliert ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Enzym als
Fusionsprotein exprimiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das DNA-Molekül
funktionell mit einer DNA-Sequenz verknüpft ist, die ein Signalpeptid für die
Zellwand, die Vacuole, ein Plastid oder Mitochondrium oder das
endoplasmatische Reticulum codiert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Signalpeptid in der Lage ist, das
Enzym in ein Zellkompartiment zu dirigieren.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Signalpeptid das Proteinaseinhibitor-II-
Signalpeptid, das Patatin-Vacuole-Signalpeptid oder das plastidiäre
Transketolase-Transitpeptid ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Zellkompartiment der
apoplasmatische Raum oder die Vacuole ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Expression oder die
Aktivität des Enzyms induzierbar ist, vorzugsweise durch Temperatur, pH-
Wert, organische oder anorganische Verbindungen, oder durch
Dekompartimentierung.
13. Holz, erhältlich nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 12 oder Fasern
davon.
14. Zusammensetzung umfassend das Holz nach Anspruch 13 oder Fasern
davon.
15. Die Zusammensetzung nach Anspruch 14, die weiterhin Pflanzenbiomasse,
vorzugsweise Holz oder Fasern davon enthält.
16. Verfahren zur Behandlung von Zellstoff umfassend die Verarbeitung des
Holzes nach Anspruch 13 oder Fasern davon oder einer Zusammensetzung
nach Anspruch 14 oder 15 unter geeigneten Reaktionsbedingungen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verarbeitungstemperatur 15°C bis
90°C, vorzugsweise 60°C bis 85°C, besonders bevorzugt 65°C bis 75°C
beträgt.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, weiter umfassend das In-Kontakt-
Bringen des Holzes oder der Zusammensetzung mit Enzymen oder
Verbindungen, die die Qualität des Zellstoffs beeinflussen können.
19. Tierfutter, umfassend das Holz nach Anspruch 13 oder Fasern davon oder
eine Zusammensetzung nach Anspruch 14 oder 15 oder ein Abkömmling
davon.
20. Verwendung einer Pflanze, die mindestens ein in einem der Ansprüche 1 bis
12 definierten rekombinanten DNA-Moleküle enthält zur Herstellung von
modifiziertem Holz.
21. Verwendung einer in Anspruch 20 definierten Pflanze, eines rekombinanten
DNA-Moleküls wie es in einem der Ansprüche 1 bis 12 definiert ist, des Holzes
nach Anspruch 13 oder Fasern davon, oder der Zusammensetzung nach
Anspruch 14 oder 15 zur Herstellung von Futter- oder Nahrungsmittel, zur
Verringerung der Viskosität von Pflanzenbiomasse, zur Herstellung von
Zellstoff und/oder Papier, zum Holz-Zellstoff-Biobleichen, zum Abbau von
landwirtschaftlichen Abfällen oder zur Produktion von alkoholischen
Brennstoffen.
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