Neue Züchtung: im Dunkeln leuchtende Petunien

Das Startup Light Bio hat mit Hilfe von Pilzgenen eine biolumineszierende Petunie entwickelt und plant, die Pflanzen ab dem nächsten Frühjahr in den Verkauf zu bringen.

Für Karen Sarkisyan gibt es kaum etwas Beeindruckenderes als einen dunklen Raum voller leuchtender Petunien. Er möchte, dass mehr Menschen diesen Zauber erleben, und stellt sich eine Zukunft voller biolumineszierender Pflanzen vor, wie im Film Avatar.

„Ich glaube, dass Dinge, die im Dunkeln leuchten, einfach einen gewissen Reiz ausüben“, sagt Sarkisyan, ein am Imperial College London und einer der Ingenieure hinter den Petunien. Er ist auch Mitbegründer des in Idaho ansässigen Biotech-Unternehmens Light Bio, das in diesem Monat vom US-Landwirtschaftsministerium die Genehmigung erhalten hat, seine leuchtenden Petunien in den Vereinigten Staaten zu verkaufen. Das Unternehmen plant, Anfang 2024 mit der Auslieferung der Pflanzen zu beginnen.

Die gentechnisch veränderten Pflanzen erzeugen einen neongrünen Farbton dank der Zugabe von DNA aus einer biolumineszenten Pilzart namens Neonothopanus nambi. „Wir nutzen ein natürliches System, das von einem Pilz stammt, der normalerweise in tropischen Wäldern vorkommt, und übertragen es auf Pflanzen“, sagt Sarkisyan. Tagsüber ist der Pilz von unauffälliger brauner Farbe. Nachts leuchtet er in einem gespenstischen Grün.

Es gibt etwa 1.500 bekannte biolumineszente Arten, darunter Bakterien, Fische, Quallen, Würmer, Amphibien, Gliederfüßer und Pilze. Biolumineszenz wird auf natürliche Weise erzeugt, wenn Sauerstoff mit einer Substanz namens Luciferin mit Hilfe eines Enzyms namens Luciferase reagiert, um Energie in Form von Licht zu erzeugen. Der Prozess ist bei den meisten Organismen außer Bakterien nur unzureichend verstanden.

Erste Versuche mit Tabakpflanzen

Im Jahr 2018 war Sarkisyan Teil eines internationalen Wissenschaftlerteams, das die Enzyme in N. nambi identifizierte, die es ihm ermöglichen, Licht zu emittieren. Zwei Jahre später beschrieben sie, wie sie die Gene für diese Enzyme in Tabakpflanzen einfügten. Die verwendet wurden, weil sie leicht zu züchten sind und schnell wachsen. Die resultierenden Pflanzen gaben grünes Licht in ihren Blättern, Stängeln, Wurzeln und Blüten ab.

Sarkisyan gründete Light Bio zusammen mit dem Chemiker Keith Wood, der 1986 zu einer Gruppe von Wissenschaftlern gehörte, die mit Hilfe eines Gens aus Glühwürmchen die erste gentechnisch hergestellte leuchtende Pflanze schufen. Das Team von der University of California, San Diego, veröffentlichte seine Entdeckung in der Zeitschrift Science. Obwohl das Leuchten nur schwach war, „war es damals wirklich etwas Neues“, sagt Wood.

Aber die Pflanzen konnten nicht von selbst leuchten. Vielmehr mussten sie mit einer speziellen Chemikalie besprüht werden, die zur Erzeugung der Biolumineszenz benötigt wurde – Luciferin aus Glühwürmchen.

Die Wissenschaftler von Light Bio haben diese selbstleuchtende Tabakpflanze entwickelt, bevor sie eine Petunie schufen. Mit freundlicher Genehmigung von Light Bio

Jahrzehnte später produzierten Forscher am MIT ebenfalls Pflanzen mit dieser Chemikalie, indem sie die Enzyme der Glühwürmchen in winzige Materialien, so genannte Nanopartikel, verpackten, die als Trägersysteme verwendet werden. Sie verteilten die Partikel fein in einer Lösung und tauchten die Pflanzen dann in diese Flüssigkeit ein. Dadurch leuchteten die Pflanzen einige Stunden lang. Wood sagt, dass sich die Idee kommerziell nicht durchgesetzt hat, weil „die Leute Pflanzen wollen, die hell leuchten, ohne irgendwelche ungewöhnlichen Behandlungen oder Anforderungen“.

Erste Versuchen gingen fehl

Im Jahr 2010 nutzten Wissenschaftler der Stony Brook University Gene von biolumineszenten Meeresbakterien, um eine selbstleuchtende Pflanze zu erzeugen, doch das von ihr erzeugte Licht war trüb. Ausgehend von dieser Entdeckung startete der Unternehmer Antony Evans 2013 eine Kickstarter-Kampagne, um mit einer anderen Art von Bakterien „leuchtende Pflanzen ohne Strom“ zu erzeugen. Jedem, der spendete, wurden Samen versprochen, mit denen er seine eigenen leuchtenden Pflanzen züchten konnte. Das Projekt brachte fast eine halbe Million Dollar auf Kickstarter ein – und löste Bedenken über eine mögliche großflächige Freisetzung gentechnisch veränderter Pflanzen aus, die zu invasiven Schädlingen werden könnten.

Nach jahrelanger Tüftelei konnte Evans‘ Unternehmen Taxa Biotechnologies sein Versprechen nicht einlösen. Es stellte sich heraus, dass es schwieriger war, Pflanzen dazu zu bringen, von selbst zu leuchten, als es zunächst schien. Die Entwicklung einer Pflanze mit neuen Eigenschaften ist nicht so einfach wie das Hinzufügen neuer genetischer Teile; diese Teile müssen tatsächlich in den Wirt integriert werden. Die Glühwürmchen- und Bakteriengene funktionierten in Pflanzen einfach nicht gut.

Sarkisyan und Wood glauben, dass sie dieses Problem gelöst haben. Sie sagen, dass der von ihnen entdeckte Biolumineszenzweg der Pilze mit dem pflanzeneigenen Stoffwechselsystem koordiniert werden kann, um Licht zu erzeugen. Der Prozess beinhaltet ein Molekül namens Kaffeesäure, das in Pflanzen reichlich vorhanden ist, um Zellwände zu bilden. Es ist auch in Pilzen vorhanden, wo es durch vier verschiedene Enzyme in Luciferin umgewandelt wird. Die Pflanze von Light Bio ist mit den Genen ausgestattet, die diese Enzyme herstellen.

Das Unternehmen behauptet, dass die resultierenden Pflanzen heller leuchten als alle bisherigen Pflanzen. Die Petunien strahlen während des gesamten Lebenszyklus der Pflanze, aber die Blüten sind besonders leuchtend. „Durch das Licht kann man fast in den geistigen Kern dieser Pflanzen sehen“, sagt Wood.

Während weltweit mehr als ein Dutzend gentechnisch veränderte Lebensmittel erhältlich sind, haben es nur wenige Zierpflanzen auf den Markt geschafft, darunter eine blaue Rose und mehrere violette Nelkensorten.

In den USA prüft die Regierung die Anträge von Unternehmen, die neue gentechnisch veränderte Pflanzen oder Nutzpflanzen einführen wollen. Im Falle der Petunie von Light Bio kam das USDA zu dem Schluss, dass die Pflanze im Vergleich zu herkömmlichen Petunien keine Probleme mit Schädlingen oder Krankheiten in der Landwirtschaft verursachen dürfte und außerhalb eines Labors sicher angebaut und gezüchtet werden kann.

Jennifer Kuzma, Co-Direktorin des Genetic Engineering and Society Center an der North Carolina State University, ist besorgt darüber, dass die Behörde keine formellere Bewertung der potenziellen Umwelt- und ökologischen Risiken der Pflanze vorgenommen hat. Auch wenn Biolumineszenz in der Natur vorkommt, könnten leuchtende Pflanzen das Verhalten von Insekten und Tieren beeinflussen, die nicht daran gewöhnt sind. „Es hängt davon ab, wie weit sie angebaut werden und ob sie sich weiter verbreiten“, sagt sie.

In seinem Antrag an das USDA ging Light Bio auf diese Bedenken ein und erklärte, dass Petunien normalerweise in Privathaushalten, Unternehmen oder botanischen Gärten angebaut werden, wo „die nächtliche Beleuchtung durch künstliches Licht die Lichtemission der selbstleuchtenden Petunien bei weitem übersteigt“.

Wood sagt, dass Light Bio die kommerzielle Produktion hochfährt und dass Kunden sich jetzt anmelden können, um eine Pflanze zu reservieren. Mehr als 10.000 Menschen stehen bereits auf der Warteliste. Wood sagt, dass das Unternehmen zunächst plant, die Pflanzen im Frühjahr nächsten Jahres in begrenzter Stückzahl online zu verkaufen, bevor sie in Baumschulen und Gartencentern angeboten werden. Wood und Sarkisyan wollen weitere Arten von Zierpflanzen herstellen und arbeiten daran, sie noch leuchtender zu machen.

Drew Endy, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen an der Stanford University, hat einige der ersten Prototypen des Unternehmens gesehen und ist begeistert, dass Light Bio die Idee der biolumineszenten Pflanzen wiederbelebt hat. Seiner Meinung nach zeigt die Anzahl der Menschen, die sich an dem gescheiterten Kickstarter-Projekt vor zehn Jahren beteiligt haben, dass das Interesse der Öffentlichkeit vorhanden ist. „Die Leute wünschten sich das Skurrile und Erhabene und wollten Teil von etwas sein“, sagt er.

Kritiker könnten sich fragen, was der Sinn einer leuchtenden Zimmerpflanze ist. Endy kann sich nützliche Verwendungszwecke vorstellen, etwa als Ersatz für grelles Kunstlicht. Aber er ist der Meinung, dass die Pflanzen einfach nur cool sind und eine bessere Lösung darstellen. „Sie laden die Menschen dazu ein, Biotechnologie aus einer Position des Staunens heraus zu erleben“, sagt er.