Zespół naukowców po raz pierwszy wykazał zdolność edycji genów w oparciu o CRISPR do zmiany fotosyntezy.

Zmieniając DNA regulatorowe uprawy spożywczej, naukowcy z Instytutu Innowacyjnej Genomiki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley (UCB) zwiększyli ekspresję genów tej uprawy.

Próba ta oznacza odejście od poprzednich badań wykorzystujących techniki edycji genów CRISPR/Cas9 w celu wyeliminowania genów lub ograniczenia ich ekspresji.

Według naukowców badania te stanowią pierwszą bezstronną próbę podniesienia ekspresji genów i wzmocnienia dalszej aktywności fotosyntetycznej.

Laboratorium Niyogi na Uniwersytecie Kalifornijskim kontynuowało badania w ramach realizacji zwiększonej wydajności fotosyntezy (RIPE), globalnej inicjatywy kierowanej przez Uniwersytet Illinois, której celem jest zwiększenie produkcji żywności poprzez zwiększenie fotosyntezy roślin uprawnych.

Szczegóły badania zespołu opublikowano w czasopiśmie Postęp nauki.

Poszukiwanie naturalnej modyfikacji genów

CRISPR-Cas9 to narzędzie umożliwiające genetykom i badaczom medycyny precyzyjną edycję materiału genetycznego. Dzięki ukierunkowanym interwencjom technologia ta pozwala na usunięcie, dodanie lub zmianę określonych odcinków sekwencji DNA, rewolucjonizując pole manipulacji genetycznych.

„Wcześniejsze badania wykazały, że narzędzie to można wykorzystać do zmniejszenia ekspresji genów zaangażowanych w ważne kompromisy, takie jak te między architekturą rośliny a wielkością owoców” – powiedział Dhruv Patel-Tupper, główny autor badania i były pracownik naukowy ze stopniem doktora w Laboratorium Niyogi w oświadczeniu.

W przeciwieństwie do technik biologii syntetycznej, które wykorzystują geny innych form żywych do wzmocnienia fotosyntezy, wszystkie rośliny w naturalny sposób posiadają geny odpowiedzialne za fotoprotekcję.

Zainspirowane wcześniejszymi badaniami przeprowadzonymi w 2018 r. nad tym, jak nadekspresja jednego z tych genów, PsbS, w roślinach zwiększa efektywność wykorzystania wody w modelowej uprawie, laboratorium Niyogi, kierowane przez głównego badacza Krisa Niyogi, postanowiło znaleźć sposób na modyfikację właściwości roślinnych ekspresja natywnego genu bez wprowadzania obcego DNA.

Organizacja ds. Wyżywienia i Rolnictwa twierdzi, że ryż dostarcza ponad 20 procent światowych kalorii. Zdaniem naukowców pojedyncza kopia trzech kluczowych genów fotoprotekcyjnych czyni go idealnym do badań nad edycją genów.

Strategia laboratorium polegała na modyfikacji DNA znajdującego się powyżej genu docelowego, który reguluje ilość i czas ekspresji genu, przy użyciu CRISPR/Cas9. Zamierzali przeanalizować, w jakim stopniu te modyfikacje wpłyną na działalność na niższym szczeblu łańcucha dostaw.

Zwiększanie ekspresji genów

Zmiany w DNA, które zwiększyły ekspresję genów, przekroczyły oczekiwania badaczy i to, co zwykle obserwuje się w podobnych badaniach.

„Byliśmy trochę zaskoczeni, ale myślę, że to pokazuje, jak dużą plastyczność mają rośliny i uprawy. Są przyzwyczajone do tak dużych zmian w swoim DNA, będących efektem milionów lat ewolucji i tysięcy lat udomowienia” – powiedział Patel-Tupper.

Podczas badań naukowcy z projektu RIPE odkryli, że odwrócenie regulatorowego DNA prowadzi do zwiększonej ekspresji genu PsbS. Po największej inwersji zespół przeprowadził sekwencjonowanie RNA, aby przeanalizować zmiany aktywności genów w całym genomie. Zaobserwowali minimalną zróżnicowaną ekspresję genów, co wskazuje, że ich metoda pozwoliła zachować procesy życiowe bez zakłóceń.

Chociaż zespół wykazał, że takie podejście jest wykonalne, nadal nie jest ono zbyt powszechne. Około 1 procent wygenerowanych roślin wykazywało pożądany fenotyp.

„Pokazaliśmy tutaj dowód koncepcji, że możemy użyć CRISPR/Cas9 do wygenerowania wariantów w kluczowych genach roślin uprawnych i uzyskać taki sam skok, jak w przypadku tradycyjnych podejść do hodowli roślin, ale w odniesieniu do bardzo skoncentrowanej cechy, którą chcemy opracować i w znacznie szybszym czasie” – powiedział Patel-Tupper.

Naukowcy podkreślają, że wykorzystanie istniejących ram zamiast roślin transgenicznych wiąże się z większymi wyzwaniami, oferuje jednak potencjał usunięcia przeszkód regulacyjnych, potencjalnie przyspieszając dostępność takich narzędzi dla rolników.