MIT-onderzoekers hebben een nieuw genetisch hulpmiddel ontwikkeld dat het gemakkelijker zou kunnen maken om planten te ontwikkelen die droogte kunnen overleven of schimmelinfecties kunnen weerstaan. Hun techniek, die nanodeeltjes gebruikt om genen af ​​te leveren in de chloroplasten van plantencellen, werkt met veel verschillende plantensoorten, inclusief spinazie en andere groenten.

Deze nieuwe strategie zou plantenbiologen kunnen helpen om de moeilijkheden te overwinnen die gepaard gaan met het genetisch modificeren van planten, die nu een complex is, tijdrovend proces dat moet worden aangepast aan de specifieke plantensoort die wordt gewijzigd.

"Dit is een universeel mechanisme dat werkt bij alle plantensoorten, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs hoogleraar Chemical Engineering aan het MIT, over de nieuwe methode.

Strano en Nam-Hai Chua, de plaatsvervangend voorzitter van het Temasek Life Sciences Laboratory aan de National University of Singapore en een emeritus hoogleraar aan de Rockefeller University, zijn de senior auteurs van de studie, die verschijnt in het nummer van 25 februari van Natuur Nanotechnologie .

"Dit is een belangrijke eerste stap in de richting van chloroplasttransformatie, " zegt Chua. "Deze techniek kan worden gebruikt voor snelle screening van kandidaatgenen voor chloroplastexpressie in een grote verscheidenheid aan gewassen."

Deze studie is de eerste die voortkomt uit het onlangs gelanceerde Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART)-programma in Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), die wordt geleid door Strano en Chua. De hoofdauteurs van de studie zijn voormalig MIT-postdoc Seon-Yeong Kwak, die nu wetenschappelijk directeur is van het DiSTAP-programma, en MIT-afgestudeerde student Tedrick Thomas Salim Lew.

Gericht op chloroplasten

Een paar jaar geleden, Strano en zijn collega's ontdekten dat door de grootte en elektrische lading van nanodeeltjes af te stemmen, ze zouden de nanodeeltjes kunnen ontwerpen om de celmembranen van planten binnen te dringen. Dit mechanisme, zogenaamde lipide-uitwisselingsenveloppenetratie (LEEP), stelden hen in staat planten te maken die gloeien, door nanodeeltjes in te bedden die luciferase dragen, een lichtgevend eiwit, in hun bladeren.

Zodra het MIT-team rapporteerde dat ze LEEP gebruikten om nanodeeltjes in planten te krijgen, plantenbiologen begonnen te vragen of het kon worden gebruikt om planten genetisch te manipuleren, en meer specifiek, om genen in chloroplasten te krijgen. Plantencellen hebben tientallen chloroplasten, dus het induceren van de chloroplasten (in plaats van alleen de kern) om genen tot expressie te brengen, zou een manier kunnen zijn om veel grotere hoeveelheden van een gewenst eiwit te genereren.

"Het brengen van genetische hulpmiddelen naar verschillende delen van de plant is iets waar plantenbiologen erg in geïnteresseerd zijn, " zegt Strano. "Elke keer als ik een lezing geef voor een plantenbiologiegemeenschap, ze vragen of je deze techniek kunt gebruiken om genen aan de chloroplast af te leveren."

de chloroplast, vooral bekend als de plaats van fotosynthese, bevat ongeveer 80 genen, die coderen voor eiwitten die nodig zijn om fotosynthese uit te voeren. De chloroplast heeft ook zijn eigen ribosomen, waardoor het eiwitten in de chloroplast kan assembleren. Tot nu, het is voor wetenschappers erg moeilijk geweest om genen in de chloroplast te krijgen:de enige bestaande techniek vereist het gebruik van een hogedruk "genenkanon" om genen in de cellen te dwingen, wat de plant kan beschadigen en niet erg efficiënt is.

Met behulp van hun nieuwe strategie, het MIT-team creëerde nanodeeltjes bestaande uit koolstofnanobuisjes verpakt in chitosan, een van nature voorkomende suiker. DNA, die negatief geladen is, bindt losjes aan de positief geladen koolstof nanobuisjes. Om de nanodeeltjes in plantenbladeren te krijgen, de onderzoekers brengen een naaldloze spuit gevuld met de deeltjesoplossing aan op de onderkant van het bladoppervlak. Deeltjes komen het blad binnen via kleine poriën die huidmondjes worden genoemd, die normaal gesproken de waterverdamping regelen.

Eenmaal in het blad, de nanodeeltjes gaan door de plantencelwand, celmembranen, en dan de dubbele membranen van de chloroplast. Nadat de deeltjes in de chloroplast zijn gekomen, de iets minder zure omgeving van de chloroplast zorgt ervoor dat het DNA uit de nanodeeltjes vrijkomt. Eenmaal bevrijd, het DNA kan worden vertaald in eiwitten.

In dit onderzoek, de onderzoekers leverden een gen voor geel fluorescerend eiwit, waardoor ze gemakkelijk kunnen visualiseren welke plantencellen het eiwit tot expressie brachten. Ze ontdekten dat ongeveer 47 procent van de plantencellen het eiwit produceerde, maar ze geloven dat dit zou kunnen worden verhoogd als ze meer deeltjes zouden kunnen leveren.

Weerbare planten

Een groot voordeel van deze aanpak is dat deze voor veel plantensoorten kan worden gebruikt. In dit onderzoek, de onderzoekers testten het in spinazie, waterkers, tabak, rucola, en Arabidopsis thaliana, een type plant dat veel wordt gebruikt in onderzoek. Ze toonden ook aan dat de techniek niet beperkt is tot koolstofnanobuisjes en mogelijk kan worden uitgebreid tot andere soorten nanomaterialen.

De onderzoekers hopen dat deze nieuwe tool plantenbiologen in staat zal stellen om gemakkelijker een verscheidenheid aan gewenste eigenschappen in groenten en gewassen te verwerken. Bijvoorbeeld, landbouwonderzoekers in Singapore en elders zijn geïnteresseerd in het creëren van bladgroenten en gewassen die in hogere dichtheden kunnen groeien, voor stadslandbouw. Andere mogelijkheden zijn het creëren van droogteresistente gewassen; technische gewassen zoals bananen, citrus, en koffie om resistent te zijn tegen schimmelinfecties die ze dreigen uit te roeien; en het aanpassen van rijst zodat het geen arseen uit het grondwater opneemt.

Omdat de gemanipuleerde genen alleen in de chloroplasten worden gedragen, die van de moeder worden geërfd, ze kunnen worden doorgegeven aan nakomelingen, maar kunnen niet worden overgedragen aan andere plantensoorten.

“Dat is een groot voordeel, want als het stuifmeel een genetische modificatie heeft, het kan zich verspreiden naar onkruid en je kunt onkruid maken dat resistent is tegen herbiciden en pesticiden. Omdat de chloroplast via de moeder wordt doorgegeven, het gaat niet door het stuifmeel en er is een hoger niveau van genenbeheersing, "zegt Lies.