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Modellorganismus

In den RobuCop-Projekten wird Chlamydomonas reinhardtii als Modellorganismus eingesetzt, da sie hervorragende Voraussetzungen für die Erforschung der Photosynthese und der Chloroplasten-Genetik bietet. Diese einzellige, photosynthetisch aktive Grünalge hat eine kurze Generationszeit und lässt sich genetisch gut manipulieren – insbesondere auf Ebene des Chloroplastengenoms.

Ein großer Vorteil von C. reinhardtii ist, dass sie pro Zelle nur einen Chloroplasten besitzt. Dies erleichtert genetische Analysen und gezielte Modifikationen erheblich. Unter Laborbedingungen kann C. reinhardtii in Fermentern unter genau kontrollierten Bedingungen kultiviert werden. Dadurch ist eine automatisierte, adaptive Labor-Evolution unter unterschiedlichen Selektionsbedingungen – etwa verschiedenen CO₂-Konzentrationen oder Temperaturen – möglich.

Zudem kann C. reinhardtii neben autotropher (licht- und CO₂-basierter) auch heterotrophe Wachstumsbedingungen tolerieren, also auf Nährmedien mit organischen Verbindungen wachsen. Das eröffnet vielfältige experimentelle Ansätze.

Wie viele Algen steht auch C. reinhardtii vor der Herausforderung, dass CO₂ in wässriger Umgebung nur langsam diffundiert. Um dieses Problem zu umgehen, verfügt sie über einen sogenannten Carbon Concentrating Mechanism (CCM). Im Zentrum dieses Mechanismus steht der Pyrenoid – eine organellähnliche Struktur, in der Rubisco in hoher Dichte vorliegt. Gemeinsam mit aktiven Transportsystemen wird so lokal die CO₂-Konzentration erhöht. Das steigert die Effizienz der CO₂-Fixierung und senkt die photorespiratorischen Verluste, wodurch die Photosynthese insgesamt effizienter abläuft.

Im Rahmen von Vorarbeiten zu RobuCop wurden bereits automatisierte Hochdurchsatzverfahren zur synthetischen DNA-Assemblierung und Kultivierung von C. reinhardtii etabliert. Zudem wurden umfassende Omics-Workflows (Proteomik und Transkriptomik) aufgebaut, um molekulare Veränderungen systematisch zu erfassen. In späteren Projektphasen sollen zentrale Erkenntnisse auch auf höhere Pflanzen übertragen werden. Hierfür stehen innerhalb des Konsortiums bereits die Modellorganismen Arabidopsis thaliana, Medicago truncatula und Mais zur Verfügung.