Maßgeschneiderte zirkuläre RNA-Wirkstoffe – zwei komplementäre Strategien
Zirkuläre RNAs stellen eine neuartige Klasse funktioneller Biomoleküle dar, die sich durch ihre geschlossene Struktur grundlegend von linearen RNAs unterscheiden. Diese Struktur verleiht ihnen eine erhöhte Stabilität gegenüber exonukleolytischem Abbau und ermöglicht eine verlängerte Verweildauer in biologischen Systemen. Damit eröffnen sie neue Perspektiven für den Einsatz als Wirkstoffe im Pflanzenschutz, insbesondere dort, wo klassische RNA-basierte Ansätze bislang an Stabilitäts- oder Effizienzgrenzen stoßen.
Landwirtschaftliche Produktionssysteme sind hochgradig heterogen: Unterschiedliche Kulturpflanzen, Pathogene, Umweltbedingungen, agronomische Zielsetzungen und neuartige Schaderreger erfordern innovative und maßgeschneiderte Lösungsstrategien. Vor diesem Hintergrund verfolgen wir bewusst keinen universellen Wirkstoffansatz, sondern entwickeln eine modulare Plattform, mit der zirkuläre RNAs gezielt auf spezifische Anwendungen zugeschnitten werden können. Sequenzdesign, strukturelle Architektur und Zielgenwahl sollen dabei flexibel kombiniert werden, um unterschiedliche biologische Wirkprinzipien zu realisieren.
Ein zentraler Bestandteil unseres Konzepts ist die parallele Entwicklung zweier funktionell unterschiedlicher Klassen zirkulärer RNA-Wirkstoffe: antisense-basierte Moleküle zur gezielten Geninhibition in Pathogenen sowie kodierende zirkuläre RNAs zur temporären Erweiterung pflanzlicher Funktionen. Diese duale Strategie erlaubt es, sowohl pathogenorientierte als auch pflanzenzentrierte Wirkmechanismen abzudecken und miteinander zu kombinieren.
Zirkuläre antisense RNAs – gezielte Genstilllegung jenseits der RNA-Interferenz
Zirkuläre antisense RNAs sind so konzipiert, dass sie komplementär zu essenziellen Transkripten von Pathogenen binden und deren Funktion direkt beeinträchtigen. Im Gegensatz zu klassischen RNA-Interferenz(RNAi)-Ansätzen, die auf der Prozessierung durch Dicer- und Argonaute-Proteine beruhen, verfolgt dieser Ansatz eine RNAi-unabhängige Strategie. Die Bindung der antisense RNA kann die Translation, Stabilität oder Prozessierung der Ziel-RNA unmittelbar beeinflussen und so eine funktionelle Inaktivierung bewirken.
Dieser Mechanismus eröffnet mehrere konzeptionelle Vorteile. Erstens ermöglicht er den Einsatz in Organismen oder Entwicklungsstadien, in denen RNAi nicht, oder nur eingeschränkt aktiv ist. Zweitens erlaubt die antisense-basierte Strategie eine präzise Ausrichtung auf einzelne Gene, Transkriptvarianten oder funktionelle RNA-Elemente.
Durch die zirkuläre Architektur wird die antisense RNA vor enzymatischem Abbau geschützt, wodurch längere Wirkfenster nach Applikation möglich werden sollen. Gleichzeitig können mehrere antisense-Regionen innerhalb eines Moleküls kombiniert werden, um Multitargeting-Ansätze zu realisieren oder redundante Genfunktionen gleichzeitig zu adressieren. Damit entsteht ein Werkzeugkasten zur gezielten Störung pathogenrelevanter Signalwege, Stoffwechselprozesse oder Virulenzfaktoren.
Langfristig eröffnet dieser Ansatz die Möglichkeit, neue Wirkmechanismen zu erschließen, die über klassische chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel hinausgehen. Zirkuläre antisense RNAs könnten insbesondere dort eingesetzt werden, wo Resistenzentwicklungen gegenüber etablierten Wirkstoffen auftreten oder wo spezifische Zielgene identifiziert wurden, die für die Pathogenfitness essenziell sind.
Kodierende zirkuläre RNAs – temporäre Funktionserweiterung von Pflanzen
Kodierende zirkuläre RNAs verfolgen einen grundlegend anderen Ansatz: Sie dienen als Vorlage für die Translation funktioneller Proteine oder Peptide in Pflanzenzellen. Nach Applikation auf das Blatt können diese Moleküle aufgenommen und von der pflanzlichen Translationsmaschinerie genutzt werden, um definierte biologische Effekte auszulösen. Dabei handelt es sich nicht um eine genetische Modifikation, sondern um eine zeitlich begrenzte, reversible Expression.
Dieses Konzept ermöglicht es, Pflanzen temporär mit neuen Eigenschaften auszustatten – beispielsweise zur Aktivierung von Abwehrmechanismen, zur Modulation von Stressantworten oder zur Unterstützung spezifischer physiologischer Prozesse. Im Vergleich zu transgenen Ansätzen entfällt die Integration in das Genom, wodurch regulatorische Hürden reduziert und flexible Anwendungsszenarien möglich werden.
Zirkuläre RNAs bieten hierfür entscheidende Vorteile gegenüber linearen mRNAs. Ihre erhöhte Stabilität verlängert die Verfügbarkeit für die Translation, während strukturelle Optimierungen die Effizienz der Ribosomenbindung beeinflussen können. Durch die Integration spezifischer regulatorischer Elemente lässt sich Translationseffizienz gezielt steuern. Gleichzeitig ermöglicht die modulare Sequenzarchitektur die Kombination mehrerer kodierender Regionen oder funktioneller Domänen innerhalb eines Moleküls.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Anpassbarkeit an unterschiedliche Pflanzenarten und Zielanwendungen. Offene Leserahmen können so ausgewählt werden, dass sie auf gewünschte biologische Funktionen zugeschnitten sind. Dadurch entsteht ein vielseitiges Werkzeug zur funktionellen Ergänzung pflanzlicher Fähigkeiten, das sowohl in der Grundlagenforschung als auch in anwendungsorientierten Szenarien eingesetzt werden kann.
Insgesamt bieten kodierende zirkuläre RNAs einen innovativen Ansatz, um pflanzliche Systeme dynamisch und situativ zu modulieren – ohne dauerhafte genetische Veränderungen und mit hoher gestalterischer Freiheit im Moleküldesign.
Einfache RNA-Synthese als Schlüssel zum Erfolg
Die Verfügbarkeit zirkulärer RNA-Wirkstoffe ist eine zentrale Voraussetzung für ihre Nutzung in Forschung und Anwendung. Unabhängig davon, wie leistungsfähig ein biologisches Wirkprinzip ist, entscheidet die praktikable, reproduzierbare und skalierbare Herstellung über dessen tatsächliche Umsetzbarkeit. Gerade im Pflanzenschutz, wo große Flächen und vergleichsweise geringe Margen vorherrschen, müssen RNA-basierte Wirkstoffe effizient produziert werden können.
Bereits im Vorfeld der Synthese steht der Wirkstoffdesignprozess, in dem Sequenzen, strukturelle Elemente und funktionelle Module gezielt auf die gewünschte Anwendung abgestimmt werden. Durch die enge Verknüpfung von Design und Produktion entsteht ein nahtloser Workflow: geplante Moleküle können direkt synthetisiert, getestet und bei Bedarf iterativ optimiert werden. Auf diese Weise wird die Grundlage für eine schnelle Entwicklung vielseitiger RNA-Wirkstoffe gelegt.
Zellfreie Herstellung zirkulärer RNAs – modular und vielseitig
Im Zentrum unserer Arbeiten steht die Entwicklung eines zellfreien Syntheseverfahrens für zirkuläre RNAs. Zellfreie Systeme bieten den entscheidenden Vorteil, dass sie unabhängig von lebenden Organismen funktionieren und sich präzise kontrollieren lassen. Reaktionsbedingungen, Enzymzusammensetzung und Prozessparameter können gezielt angepasst werden, um unterschiedliche RNA-Moleküle effizient zu erzeugen.
Die direkte Einbindung des Designprozesses in die Synthese ermöglicht es, verschiedene Klassen zirkulärer RNA-Wirkstoffe – sowohl antisense-basierte als auch kodierende Moleküle – mit derselben technologischen Grundlage herzustellen. Die Synthese und Zirkularisierung erfolgen in einem klar strukturierten, modularen Prozess, der sich flexibel an neue Sequenzen, Strukturen und Funktionen anpassen lässt. Dadurch entsteht eine Plattform, die Forschung, Entwicklung und spätere Anwendung gleichermaßen unterstützt.
Skalierbarkeit, Kostenreduktion und Nachhaltigkeit
Ein zentrales Entwicklungsziel ist die Skalierbarkeit der Synthesetechnologie. Während viele RNA-basierte Verfahren im Labormaßstab gut funktionieren, scheitern sie häufig an der Übertragbarkeit in größere Produktionsvolumina. Unser Ansatz denkt diesen Übergang von Anfang an mit und etabliert Prozesse, die sowohl im kleinen als auch im größeren Maßstab stabil und reproduzierbar bleiben.
Gleichzeitig wird eine kostengünstige und ressourcenschonende Herstellung angestrebt. Durch die Nutzung zellfreier Systeme, die Reduktion komplexer Prozessschritte und die Wiederverwendbarkeit von Komponenten wird eine wirtschaftlich tragfähige Produktion angestrebt. In Kombination mit dem integrierten Wirkstoffdesign legt dies die Basis für eine modulare, nachhaltige Plattform, die RNA-basierte Wirkstoffe als realistische Alternative zu klassischen Pflanzenschutzmitteln verfügbar macht.
Verwertung und Wirtschaftlichkeit von Anfang an mitgedacht
Neue Entwicklungen und Technologien zur Marktreife zu bringen, ist ein komplexer und langfristiger Prozess. Viele vielversprechende Innovationen scheitern nicht an ihrer wissenschaftlichen Machbarkeit, sondern an wirtschaftlichen, regulatorischen oder gesellschaftlichen Hürden. Deshalb betrachten wir Verwertung und Wirtschaftlichkeit bereits parallel zur Forschung. Indem wirtschaftliche Limitationen frühzeitig in die Entwicklung zirkulärer RNA-Wirkstoffe einbezogen werden, können Prozesse, Produktionsverfahren und Designs von Beginn an auf Skalierbarkeit und Kostenbewusstsein ausgerichtet werden.
Unser Ansatz verfolgt eine integrierte Perspektive, bei der technische Machbarkeit, Effizienz der Synthese und Marktpotenzial Hand in Hand gehen. Durch diese frühe Betrachtung lassen sich potenzielle Engpässe vermeiden, die ansonsten erst in späten Entwicklungsstadien auftreten würden, und die Umsetzung von Laborergebnissen in praxisrelevante Anwendungen wird deutlich beschleunigt..
Gesellschaftliche Akzeptanz als zentraler Erfolgsfaktor
Neben wirtschaftlichen Überlegungen spielt die gesellschaftliche Akzeptanz eine entscheidende Rolle. Der Einsatz neuer RNA-basierter Technologien in der Landwirtschaft berührt Fragen von Sicherheit, Nachhaltigkeit und Verantwortung gegenüber Umwelt und Gesellschaft. Um hier ein solides Fundament zu schaffen, stehen wir in engem Austausch mit Landwirt:innen, Interessensgruppen und weiteren Stakeholdern.
Ziel ist es, Fragen frühzeitig zu adressieren, Transparenz zu schaffen und Bedenken ernst zu nehmen. Aufklärungsmaßnahmen und Informationsangebote helfen dabei, das Verständnis für die Funktionsweise und die Vorteile zirkulärer RNA-Wirkstoffe zu erhöhen. Gleichzeitig sammeln wir wertvolles Feedback, das in die Optimierung von Wirkstoffdesign, Applikationsstrategien und Produktionsprozessen einfließt.
Eine ganzheitliche Entwicklungsstrategie
Durch die gleichzeitige Berücksichtigung von Forschung, Wirtschaftlichkeit und gesellschaftlicher Akzeptanz entsteht eine ganzheitliche Entwicklungsstrategie. Diese ermöglicht es uns, zirkuläre RNA-Wirkstoffe nicht nur technologisch robust, sondern auch marktfähig und gesellschaftlich tragfähig zu entwickeln. Nur durch die Kombination aus innovativer Wissenschaft, strategischem Design und aktivem Stakeholder-Dialog kann eine nachhaltige Transformation in der Landwirtschaft realisiert werden.