植物研究用高速分析プラットフォームを開発(Turbo Platform for Plant Research)

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2025-10-31 マックス・プランク研究所

マックス・プランク陸上微生物学研究所(マールブルク)のトビアス・エルプ教授率いる研究チームは、植物クロロプラストの遺伝子改変を高速かつ大規模に検証できる初の「高スループット・クロロプラスト解析プラットフォーム」を開発した。モデル生物である微細藻類クラミドモナス・レインハルディを用い、クロロプラストDNAへの遺伝子挿入を自動化・標準化することで、1回の実験で数千の改変株を並行生成・評価可能とした。これにより、光合成効率、環境ストレス耐性、代謝産物生産に関わる遺伝要素を迅速に比較できる。研究では140種類以上の遺伝子制御配列を評価し、発現強度の精密なチューニングを実現。得られた遺伝子部品ライブラリは他研究機関でも利用可能であり、将来的には作物改良や合成生物学におけるクロロプラスト工学の加速が期待される。この成果は、気候変動に強い高効率作物の開発に向けた重要な一歩である。

植物研究用高速分析プラットフォームを開発(Turbo Platform for Plant Research)
A microtiter plate with Chlamydomonas reinhardtii. Researchers at the Max Planck Institute in Marburg have developed a test platform that can be used to generate and analyze thousands of algae lines with modified chloroplast genomes in parallel.© MPI f. terrestrische Mikrobiologie/ Gina Bolle

<関連情報>

クラミドモナス葉緑体における合成生物学を進歩させるためのモジュール式ハイスループットアプローチ A modular high-throughput approach for advancing synthetic biology in the chloroplast of Chlamydomonas

René M. Inckemann,Tanguy Chotel,Michael Burgis,Cedric K. Brinkmann,Laura Andreas,Jessica Baumann,Priyati Sharma,Melanie Klose,James Barrett,Fabian Ries,Nicole Paczia,Timo Glatter,Luke C. M. Mackinder,Felix Willmund & Tobias J. Erb
Nature Plants  Published:03 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41477-025-02126-2

Abstract

Chloroplast synthetic biology holds promise for advancing photosynthetic organisms through improving the function of plastids. However, chloroplast engineering efforts face limitations due to the scarcity of genetic tools and the low throughput of plant-based systems. To address these challenges, we here established Chlamydomonas reinhardtii as a prototyping chassis for chloroplast synthetic biology. To that end, we developed an automation workflow that enables the generation, handling and analysis of thousands of transplastomic strains in parallel. Furthermore, we expanded the repertoire of effective selection markers and reporter genes, and we characterized over 140 regulatory parts, including native and synthetic promoters, 5′ and 3′ untranslated regions, and intercistronic expression elements. We integrated the system with existing molecular cloning standards and demonstrated several applications, including a library-based approach to develop synthetic promoter designs in plastids. Finally, we provide a proof of concept for prototyping metabolic pathways in plastids by introducing a chloroplast-based synthetic photorespiration pathway, resulting in a threefold increase in biomass production. Overall, our study advances current chloroplast engineering efforts by providing a high-throughput platform and standardized genetic parts for the rapid prototyping and characterization of plastid manipulations with the prospect of high transferability between different chloroplasts, including those of higher plants and crops.

生物工学一般
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