Zespół ICAR i Penn State tworzy narzędzie na tyle małe, że umożliwia edycję genomów roślin
Mąka, czekolada, kakao w proszku, jajka i masło – to składniki potrzebne do stworzenia słodkiego przysmaku, za którym tak bardzo tęsknisz.
Jedyne, czego teraz potrzebujesz, to przepis krok po kroku, który pomoże Ci zamienić składniki w pyszne brownie.
Za duży na swoje spodnie
Natura ma również składniki, których potrzebuje, aby „tworzyć” żywe organizmy, korzystając z genetycznej instrukcji zwanej genomem. Niewielka zmiana w składzie genomu może określić, czy tworzona żywa istota jest kwiatem o dwóch kolorach płatków, kotem o dużych lub małych uszach, czy też liście kolendry będą smakować jak mydło dla niektórych osób.
Dzięki narzędziu do edycji genów CRISPR naukowcy mogą dziś precyzyjnie edytować genomy, aby wprowadzić pożądane cechy genetyczne lub usunąć niepożądane.
CRISPR ma potencjał zrewolucjonizowania rolnictwa, w szczególności poprzez umożliwienie naukowcom zajmującym się rolnictwem zwiększenia plonów i poprawy odporności na choroby i anomalie pogodowe poprzez edycję genów. Istnieje jednak krytyczna przeszkoda: powszechnie stosowana forma systemu CRISPR jest zbyt duża dla genomów roślin.
Ten system wykorzystuje jedno z dwóch białek, Cas9 lub Cas12, aby celować w określone części DNA. Są one jednak zbyt duże, aby komórki roślinne mogły je pomieścić.
Mniejsze znaczy lepsze
Zespół badaczy pod przewodnictwem Kutubuddina Molli z ICAR-National Rice Research Institute w Cuttack i Mirzy Baiga z Pennsylvania State University w USA przedstawił w niedawnym artykule w czasopiśmie alternatywę, która może rozwiązać ten poważny problem edycji genomu roślin. Czasopismo biotechnologii roślin.
Poinformowali o opracowaniu edytora genomu roślin składającego się z białka o nazwie ISDra2TnpB, pochodzącego z bakterii o nazwie Deinokok radiodurans (słynie z tego, że potrafi przetrwać ekstremalne warunki środowiskowe). ISDra2TnpB jest mniejszy niż połowa rozmiaru Cas9 i Cas12.
VS Sresty Tavva, główny naukowiec w Programie Ulepszania Upraw w Instytucie Tata Genetyki i Społeczeństwa (TIGS) w Bengaluru, który nie brał udziału w badaniu, wyraził entuzjazm w związku z jego wynikami.
„Obecnie, [since] nie ma zbyt wielu opcji dostępnych dla edytorów genomu roślin, ulepszony TnpB z pewnością dodaje wartości. Należy wykorzystać zaletę rozmiaru TnpB w generowaniu edytowanych roślin pod kątem różnych interesujących cech”, powiedział.
Edytowanie umiejętności TnpB
TnpB to białko składające się z około 400 jednostek aminokwasowych (różne kombinacje 20 aminokwasów tworzą wszystkie białka). Należy do rodziny elementów transpozycyjnych, czyli transpozonów. Czasami nazywane „genami skaczącymi”, transpozony to części genomu, które mogą przemieszczać się z jednego miejsca do drugiego.
Genom składa się z dwóch nici DNA połączonych ze sobą. Każda nić składa się z bloków budulcowych zwanych nukleotydami. Z kolei każdy nukleotyd ma trzy części; dwie są wspólne dla wszystkich, podczas gdy tożsamość trzeciej może być jedną z czterech opcji: adenina (A), tymina (T), cytozyna (C) lub guanina (G). „Sekwencja” DNA odnosi się do kolejności, w jakiej ułożone są nukleotydy zawierające te cztery związki.
W nowym systemie TnpB wskakuje na fragment RNA, który kieruje go do docelowej sekwencji DNA. Po dotarciu do niej TnpB wiąże się z sekwencją i ją eliminuje. Komórka, która przechowuje to DNA, naprawia cięcie, przywracając „poprawną” sekwencję. W ten sposób genom jest modyfikowany, aby zastąpić niepożądaną sekwencję pożądaną.
Naukowcy prowadzący nowe badanie wykorzystali możliwości edycji genomu systemu opartego na TnpB, aby osiągnąć wydajność edycji wynoszącą 33,58% w przeciętnym genomie roślinnym na celach, do których nie mogły dotrzeć Cas9 lub Cas12. Wykazali, że edytor genomu był skuteczny w przypadku obu typów roślin kwitnących — jednoliściennych (takich jak ryż, który ma jeden liść nasienny) i dwuliściennych (takich jak Arabidopsisroślina spokrewniona z kapustą i gorczycą, która ma dwa liście nasienne).
Kodony i regulatory
Zespół zbudował również cztery wersje narzędzia do edycji opartego na TnpB i przetestował je na protoplastach ryżu — komórkach roślinnych bez ściany komórkowej — aby zidentyfikować najlepsze z nich. W początkowych eksperymentach wersje miały niską wydajność edycji.
Aby to poprawić, dr Molla i in. zrobili dwie rzeczy. Po pierwsze, zastosowali proces zwany optymalizacją kodonów. Na przykład komórki w ciele wytwarzają aminokwas lizynę, postępując zgodnie z instrukcją w genomie reprezentowaną przez sekwencję trzech nukleotydów. Takie sekwencje trzech nukleotydów nazywane są kodonami.
Sekwencja kodonów zawierająca przepis na lizynę różni się w zależności od rodzaju organizmu. TnpB to białko wyekstrahowane z D. radioduransbakteria prokariotyczna, która ma inny kodon dla lizyny niż eukarioty, takie jak rośliny. Dlatego naukowcy edytowali stronniczość kodonów TnpB, aby dopasować ją do protoplastów ryżu, aby poprawić wydajność edycji, wyjaśnił dr Molla.
Drugą rzeczą, którą badacze zmodyfikowali, były elementy regulacyjne. Kiedy TnpB i specyficzny RNA, który kieruje go do docelowego DNA, są przenoszone z prokariota do eukariota, badacze muszą również uwzględnić sekwencje zwane promotorami i terminatorami, które regulują ekspresję TnpB.
„Dodaliśmy promotory, które prawdopodobnie wzmocnią ekspresję TnpB i doprowadzą do lepszej edycji” – powiedział dr Molla.
Ulepszenie do wysokiej rozdzielczości
Naukowcy zakończyli prace nad ostatnimi szlifami w systemie edycji genów opartym na TnpB. Dezaktywowali TnpB i połączyli go z innym białkiem, aby stworzyć „hybrydowy” edytor zasad.
W połączeniu z przewodnikiem RNA edytor ten może zamienić pojedynczy nukleotyd w sekwencji DNA.
W poprzedniej wersji z aktywnym TnpB nie było to możliwe, ponieważ usuwała ona jedynie sekwencje DNA i nie potrafiła zamieniać jednej sekwencji na inną.
Nowy edytor baz otworzył zatem ekscytujące możliwości innowacji w uprawach, ułatwiając modyfikację genów na poziomie pojedynczych nukleotydów.
Przyszłość edytowanych roślin
Opracowane przez naukowców edytory bazujące na TnpB potrafią edytować genom roślinny, stosując zarówno edycję zasad, jak i aktywację transkrypcji – dwie powszechnie stosowane techniki w syntetycznej biologii roślin.
Doktor TavvaDodał jednak, że większość twierdzeń opiera się na danych uzyskanych od protoplastów i że sytuacja może ulec zmianie, gdy mamy do czynienia z procesami, w których organizm wchłania zewnętrzne DNA i integruje je ze swoim genomem.
Okazało się również, że skuteczność systemu edycji zasad okazała się niewystarczająca w przypadku roślin dwuliściennych, co potwierdzają wyniki (średnia skuteczność edycji 0,2–0,46%) podane przy użyciu Arabidopsis„Niezależnie od tego” — powiedział dr Tavva — „społeczność zajmująca się edycją genomu roślin powinna wypróbować ten miniaturowy system edycji na wybranych przez siebie gatunkach roślin uprawnych, aby poprawić różne interesujące cechy”.
Dyrektor TIGS Rakesh Mishra powtórzył: „To ekscytujące widzieć, jak wynaleziono nowe i skuteczne narzędzie do edycji genomu. Chociaż będzie potrzebny dalszy rozwój, alternatywy takie jak ta są mile widzianą wiadomością”.
Naukowcy wyrazili nadzieję, że to miniaturowe narzędzie do edycji genomu pomoże usunąć czynniki antyodżywcze z upraw żywności, zmniejszyć ich podatność na szkodniki i sprawić, że uprawy ryżu staną się niższe i mniej podatne na uszkodzenia podczas cyklonów.
Sanjukta Mondal jest chemikiem, który został pisarzem naukowym. Ma doświadczenie w pisaniu artykułów popularnonaukowych i scenariuszy dla kanałów STEM na YouTube.
