Вставка или настройка генов в растениях - это больше искусство, чем наука. Новая техника, разработанная Калифорнийским университетом в Беркли, может сделать генную инженерию любого типа растений, в частности, редактирование генов с помощью CRISPR-Cas9. Просто и быстро.
Чтобы доставить ген, исследователи прививают его на углеродную нанотрубку. Она крошечная и легко проскользывает через жесткую клеточную стенку растения. На сегодняшний день большая часть генной инженерии растений выполняется путем включения генов в ткань—процесс, известный как биолистика или доставки генов через бактерии.
Оба они успешны лишь в небольшом проценте времени, что является основным ограничением для ученых, стремящихся создать болезнетворные или засухоустойчивые культуры или сконструировать растения, чтобы они легче преобразовывались в биотопливо.
Ген (красный и белый), связанный с углеродной нанотрубкой, может легко диффундировать в клетки растений, где он экспрессируется, как если бы это был собственный ген клетки. В этом случае вставка гена зеленого флуоресцентного белка заставляет листья светиться зеленым. Нанотрубки составляет 1 нанометр в диаметре и несколько сотен нанометров в длину.
Нанотрубки очень успешны в доставке гена в ядро, а также в хлоропласт, структуру в клетке, с которой еще труднее ориентироваться с использованием современных методов.
Легкий метод доставки генов был бы благом для ученых, которые сейчас пытаются повысить эффективность захвата световой энергии для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Нанотрубка не только защищает ДНК от разрушения клеткой, но и предотвращает ее попадание в геном растения. В результате этот метод допускает генные модификации, которые в Соединенных Штатах и других странах, помимо Европейского Союза, не приводят к обозначению ГМО.
По сообщению ученых, одним из преимуществ является экономия времени с помощью такой технологии. Но основным достижением будет способность быстро и эффективно доставлять гены растениям разных видов таким образом, чтобы можно было генерировать трансгенные линии растений без интеграции чужеродной ДНК в геном растений. ДНК, связанная с нанотрубкой, очень вынослива.
Исследователи из Беркли ввели раствор углеродных нанотрубок, загруженных ДНК-кодированием зеленого флуоресцентного белка, в листья различных видов растений: от табака до хлопка, что привело к сильной экспрессии белка GFP по всему листу без интеграции в геном растения.
По словам ученых, нанотрубки легко скользят по стенкам клеток растений, которые известны своими жесткими слоями, пытаясь маркировать клетки датчиками нанотрубок. Датчики оказались внутри клетки, а не на ее поверхности.
Нынешние методы являются громоздкими и могут быть малодоходными. Использование генной пушки разрушительно. Это как взорвать дыру в растительной клетке и надеяться, что ген и клетка выживут. Другой метод с использованием патогенных вирусов переносить гены, работает на еще более узкий круг растений. Все они должны быть настроены для каждого растения, а доставленная ДНК интегрирована в геном.
По мнению исследователей, для того, чтобы это стало широко полезной платформой, нужно выразить белок, который сам по себе оказывает постоянное влияние на ядерный геном.
План состоит в том, чтобы упаковать ДНК в одноцепочечную плазмиду, которая затем прикрепляется к углеродной нанотрубке. В течение двух или трех дней после диффузии в клетку экспрессируются как белок Cas9, так и направляющая РНК CRISPR, что позволяет им связываться с образованием комплекса рибонуклеопротеидов, который постоянно редактирует геном. Исследователи не обнаружили никаких токсических эффектов от нанотрубки.
Ученые протестировали доставку нанотрубок на различные растения. Генно-инженерные версии этих растений уже представлены на рынке, но упрощенная методика может ускорить внедрение новых и полезных генов. Табак, например, был разработан для производства фармацевтических препаратов, таких как противоопухолевые препараты.
Ген (синий и красный), электростатически прикрепленный к углеродной нанотрубке, остается настолько тесно связанным, что не интегрируется в геном растения.
Исследователи признают, что еще не до конца понимают, как работает доставка нанотрубок. Они испробовали различные методы присоединения ДНК к нанотрубкам и обнаружили, что самое плотное связывание работает лучше всего. Когда исследователи дали нанотрубке положительный заряд перед введением ДНК, она прилипла, как бумага, к гребню, заряженному статическим электричеством.
В настоящее время ученые проводят эксперименты с наночастицами ДНК, чтобы лучше понять, что происходит внутри растительных клеток после того, как нанотрубка и ДНК входят, и экспериментирует с доставкой нанотрубок в растения других типов молекул, в частности РНК и белков.
Как считают ученые, самое удивительное в этих углеродных нанотрубках то, что они способны проходить сквозь клеточную стенку и проникать в ядро или в хлоропласты. Это новый шаг вперед, который позволяет создать инструменты для редактирования генома.
