2016_03: Pflanzen-Mikrofluidik

Mit unserem mikrofluidischen Bioreaktor können wir die Dynamik des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels untersuchen.

Worum geht es?

In einer mehrjährigen Zusammenarbeit zwischen unserer Arbeitsgruppe und der Gruppe von Prof. Dr. Andreas Guber am Institut für Mikrostrukturtechnik (KIT Campus Nord) gelang es einen mikrofluidischen Bioreaktor (zur Pressemeldung) zu entwickeln, in dem man Pflanzenzellen kultivieren kann. Hier veröffentlichen wir nun die erste Anwendung dieser Erfindung: zunächst einmal können wir zeigen, dass sich die Pflanzenzellen in dem Bioreaktor nicht nur teilen, sondern selbst die subtilsten Feinheiten ihrer Entwicklung ungestört beibehalten. Die von uns untersuchten Tabak BY-2 Zellen teilen sich nämlich in durch das Pflanzenhormon Auxin getakteten Rhythmen. Diese rhythmische Teilungsaktivität lässt sich auch bei Anzucht im mikrofluidischen Bioreaktor in gleicher Weise beobachten wie bei "freilebenden" Zellen. Im nächsten Schritt wurden dann, in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Burkhard Luy am Institut für Biologische Grenzflächen (KIT Campus Nord), über NMR-Spektroskopie untersucht, wie sich die metabolische Aktivität der Zellen über die Zeit hinweg verändert: Dabei liessen sich nicht nur Veränderungen des Energiestoffwechsels über Änderungen der im Medium nachgewiesenen verschiedenen Zucker messen, sondern auch Änderungen des Signalstoffs myo-Inositol, die mit der hormonellen Steuerung der Zellteilung über ein trimeres G-Protein erklärt werden konnten.

 

Warum ist das neu?

Während man mit den üblichen Methoden der Metabolomik zumeist nur einen "chemischen Schnappschuss" erhält, erlaubt unsere neue Technologie, den pflanzlichen Stoffwechsel in seiner zeitlichen Dynamik zu verfolgen. Gleichzeitig liefert diese Studie den "proof of concept" für den erfolgreichen Einsatz des mikrofluidischen Bioreaktors für wissenschaftliche Fragestellungen, ein wichtiger Meilenstein auch für unser vom BMBF gefördertes Verbundprojekt zur Nutzung pharmakologisch wertvoller Inhaltsstoffe über Pflanzliche Zellfermentation.

 

Veröffentlichung

125. Maisch J, Kreppenhofer K, Büchler S, Merle C, Sobich S, Luy B, Ahrens R, Guber A, Nick P (2016) Time-resolved NMR metabolomics of plant cells based on a microfluidic chip. J Plant Physiol doi:10.1016/j.jplph.2016.06.004 - pdf