LEDitGROW - Beleuchtungssysteme zur Optimierung von Pflanzenzellkulturen für die Sekundärmetabolit-Produktion

• LEDitGROW - Lighting systems to optimize plant cell cultures for secondary metabolite production

Beuel, Ann-Katrin; Commandeur, Ulrich Heinrich (Thesis advisor); Schillberg, Stefan (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Pflanzliche Sekundärmetabolite, die beispielsweise in Kosmetikprodukten, aber auch als Lebensmittelzusatzstoffe zum Einsatz kommen, können in Pflanzenzellkulturen (PZK) hergestellt werden. Um die Ausbeute von Sekundärmetaboliten in PZK mit Licht zu erhöhen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Beleuchtungssysteme für PZK entwickelt: LEDitREST (LiR) für Kalluskulturen und LEDitSHAKE 2.0 (LiS 2.0) für Suspensionskulturen. Beide Systeme erlauben die individuelle Kontrolle des Lichtspektrums, der Intensität und der Beleuchtungsdauern. Mit LiR können 24 verschiedene Lichtbedingungen parallel genutzt werden, LiS 2.0 ermöglicht die Verwendung von 12 verschiedenen Lichtbedingungen in nur einem Schüttelinkubator. Um zu ermitteln, ob ein möglicher Einfluss von Licht mit spezifischen Wellenlängen auf PZK mit LiR und LiS 2.0 verlässlich untersucht werden kann, wurden vier Fragestellungen formuliert und mit Hilfe von statistischer Versuchsplanung am Beispiel verschiedener PZK beantwortet: Hat Licht einen Einfluss auf a) die Biomassebildung während der Etablierung einer Suspensionskultur; b) die Biomassebildung einer etablierten Suspensionskultur; c) den Sekundärmetabolismus einer Suspensionskultur; d) die Gesamtprozessentwicklung einer PZK? Durch die Verwendung der Beleuchtungssysteme wurde die Biomassebildung während der Etablierung einer Elsbeere-Suspensionskultur beschleunigt (Verdoppelung der Biomassebildung bei optimierter Lichtbedingung gegenüber der Standard-Bedingung). Außerdem wurde die Biomassebildung von traditionell im Dunkeln kultivierten Tabak BY2-Zellen bei Kultivierung unter rotem Licht signifikant erhöht: nach einwöchiger Kultivierung bildeten die optimal beleuchteten Kulturen fast 1,4 mal mehr Biomasse, als die in Dunkelheit kultivierten Zellen. Des Weiteren wurde der Anthocyangehalt in Weintrauben-Suspensionskulturen durch die Verwendung der optimalen Lichtbedingungen um bis zu 130% (Cyanidin-Glucosid) gegenüber der Standard-Kultivierungsbedingung gesteigert. Im Rahmen der Arbeit wurden zusätzlich Bockshornklee-Zellkulturen in LiR und LiS 2.0 neu hergestellt und der 4-HIL-Gehalt dieser Kulturen durch Licht positiv beeinflusst: drei Kulturen wurden etabliert, die eine 50 - 130% höhere 4-HIL-Produktivität haben, als die mit der konventionellen Methode (Etablierung der Kulturen entweder bei nur weißem Licht im Lichtregal/Lichtschüttler oder Kultivierung in Dunkelheit) hergestellten Kulturen. Dabei wurde eine Steigerung der Biomassebildung sowie der Sekundärmetabolite durch die Anpassung der Lichtbedingungen erreicht, ohne die Anwendung von bekannten Strategien wie Elizitation oder genetische Modifikation. Dies ist ein großer Vorteil, da gerade im Lebensmittel- und Kosmetikbereich die Nutzung von genetisch modifizierten Inhaltsstoffen unerwünscht ist. Der Einfluss von Licht auf PZK, insbesondere auf Suspensionskulturen, konnte somit durch Nutzung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Beleuchtungssysteme bestätigt werden.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Molekulare Biotechnologie [162910]