• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Med nanorör, genteknik i växter är enkelt

    En gen (röd och vit) bunden till ett kolnanorör kan lätt diffundera in i växtceller, där det uttrycks som om det vore cellens egen gen. I detta fall, genom att sätta in genen för grönt fluorescerande protein får bladen att lysa grönt. Nanoröret är 1 nanometer i diameter och flera hundra nanometer långt. Kredit:UC Berkeley grafik av Ella Marushchenko

    Att infoga eller justera gener i växter är mer konst än vetenskap, men en ny teknik utvecklad av University of California, Berkeley, forskare skulle kunna göra genteknik vilken typ av växt som helst – i synnerhet, genredigering med CRISPR-Cas9 – enkelt och snabbt.

    För att leverera en gen, forskarna ympar det på ett kolnanorör, som är tillräckligt liten för att lätt glida igenom en växts tuffa cellvägg. Hittills, den mesta gentekniken av växter görs genom att generera in i vävnaden – en process som kallas biolistik – eller leverera gener via bakterier. Båda är framgångsrika bara en liten del av tiden, vilket är en stor begränsning för forskare som vill skapa grödor som är resistenta mot sjukdomar eller torka eller att konstruera växter så att de lättare kan omvandlas till biobränslen.

    Nanorör, dock, är mycket framgångsrika när det gäller att leverera en gen till kärnan och även till kloroplasten, en struktur i cellen som är ännu svårare att rikta in sig på med nuvarande metoder. Kloroplaster, som har sina egna separata, om än liten, genom, absorbera ljus och lagra dess energi för framtida användning, frigör syre i processen. En enkel teknik för genleverans skulle vara en välsignelse för forskare som nu försöker förbättra effektiviteten av ljusenergifångst för att öka skördarna.

    Nanoröret skyddar inte bara DNA från att brytas ned av cellen, men förhindrar också att den sätts in i växtens arvsmassa. Som ett resultat, tekniken tillåter genmodifieringar eller deletioner som i USA och andra länder än EU inte skulle utlösa beteckningen "genetiskt modifierad, " eller GMO.

    "En av fördelarna är bara den tid som sparas med en teknik som denna, " sa Markita Landry, en biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid UC Berkeley. "Men jag tror att de stora framstegen kommer att vara förmågan att snabbt och effektivt leverera gener till växter över arter och på ett sätt som kan möjliggöra generering av transgena växtlinjer utan integrering av främmande DNA i växtgenomet."

    En viktig användning skulle vara CRISPR-Cas9-genredigering:att leverera genen för Cas9, vilket är enzymet som riktar sig mot och skär DNA, tillsammans med DNA-kodningsguiden RNA – Cas9:s adressetikett – för att redigera specifika gener med hög precision. Och DNA bundet till ett nanorör är väldigt tåligt.

    "Vi bedömde stabiliteten hos konstruktionerna och kostnaden och, på båda punkter, detta är lämpligt för garagevetenskap, ", sa Landry. "Du kan lägga dessa saker i ett kuvert och posta dem nästan var som helst. Du behöver inget kylskåp, en genpistol, bakterie; du behöver inte mycket för att arbeta med dem, och de är stabila i månader. Vi kan generera dem i stor skala, frys dem, tina dem - de är robusta små saker."

    Landry och hennes kollegor kommer att rapportera sina resultat online den 25 februari innan de publiceras i tidskriften Naturens nanoteknik .

    CRISPR leverans

    Landry upptäckte att nanorör lätt glider genom växtcellväggar, som är kända för sina tuffa lager, medan du försöker märka celler med nanorörssensorer. Sensorerna hamnade inuti cellen, inte på cellytan.

    Hon såg omedelbart hur man vänder på detta för att leverera gener till växter. Nuvarande metoder är besvärliga och kan ge låg avkastning. Att använda genpistoler är destruktivt; det är som att blåsa hål i en växtcell och hoppas att både din gen och cellen överlever. Alla växter kan inte infekteras av genbärande Agrobacterium, och en annan teknik, använda patogena virus för att bära gener, fungerar för ett ännu snävare sortiment av växter och riskerar att infoga viralt DNA i växtens arvsmassa. Alla måste anpassas för varje anläggning, och det levererade DNA:t är integrerat i genomet:definitionen av GMO.

    Sugen på att ge det ett försök, Landry och hennes kollegor lindade genen för grönt fluorescerande protein (GFP) runt ett nanorör och injicerade det i ett organiskt ruccolablad köpt från en lokal Whole Foods Market. Inom en dag, växtcellerna lyste grönt under UV-ljus, vilket indikerar att GFP-genen hade transkriberats och översatts till protein, som om det vore växtens egen gen.

    Effekten varade bara några dagar, dock, förmodligen för att proteinerna återvinns, och DNA:t bryts långsamt ned.

    En kort livstid är ingen nackdel, dock.

    "En del av det som gör plattformen unik är att uttrycket är övergående. När vi tittar i mikroskopet sju till tio dagar senare, uttrycket är borta, fluorescensen är borta. Så är inte fallet med Agrobacterium, " sa Landry. För forskare som studerar hur växter fungerar, att uttrycka en gen under en kort tid kan berätta mycket om genens roll i cellen.

    "För att detta ska vara en allmänt användbar plattform, dock, vi behöver uttrycka ett protein som i och för sig har en permanent effekt på kärngenomet, " tillade hon.

    Hennes plan är att paketera DNA till en enkelsträngad plasmid som sedan fästs på ett kolnanorör. Inom två eller tre dagar efter att ha diffunderat in i cellen, både Cas9-proteinet och CRISPR-guide-RNA skulle uttryckas, så att de kan länka samman för att bilda ett ribonukleoproteinkomplex som redigerar genomet, permanent. Hon har inte hittat några toxiska effekter från nanoröret.

    "Så, nu har du en växt som är redigerad, men det skulle betraktas som icke-GMO utanför Europa, " Hon sa.

    Laddar upp nanoröret

    Hon och hennes kollegor testade leverans av nanorör i andra växter:tobak, en arbetshäst av växtgenetik; bomull, vars genom är notoriskt svårt att knäcka; och vete. Genmanipulerade versioner av dessa växter finns redan på marknaden, men en förenklad teknik skulle kunna påskynda introduktionen av nya och nyttiga gener. Tobak, till exempel, har konstruerats för att producera läkemedel såsom läkemedel mot cancer.

    Även om Landry och hennes kollegor ännu inte helt förstår hur nanorörsleverans fungerar, det lätta inträdet av nanorör är inte en total överraskning, Hon sa. Växternas cellväggar låter saker lätt glida in om de är mindre än cirka 5 till 20 nanometer, vilket är mycket mindre än gränsen på 500 nanometer för däggdjursceller. Nanorören är cirka 1 nanometer i diameter, även om de är cirka 300 nanometer långa:tillräckligt med utrymme för att fästa dussintals gener. Växtceller är i storleksordningen 10, 000 nanometer tvärs över.

    Hon och hennes labbkollegor provade olika tekniker för att fästa DNA till nanorör och fann att den tätaste bindningen fungerade bäst. När forskarna gav nanoröret en positiv laddning innan de introducerade DNA, det fastnade som papper i en kam laddad med statisk elektricitet.

    Hon genomför nu experiment med DNA-origami-nanopartiklar för att bättre förstå vad som händer inuti växtcellerna efter att nanoröret och DNA kommer in, och experimenterar med leverans av nanorör till växter av andra typer av molekyler, specifikt RNA och proteiner.

    "Det fantastiska med dessa kolnanorör är att de kan ta sig förbi cellväggen och gå in i kärnan eller in i kloroplasterna. Det är ett nytt framsteg som gör att vi verkligen kan införa verktygen för genomredigering, sa Brian Staskawicz, en professor i växt- och mikrobbiologi och den vetenskapliga chefen för jordbruk vid Innovative Genomics Institute, som finansierar ytterligare arbete med CRISPR-leverans av Landry och hennes team. "Nästa steg skulle vara kan vi leverera ribonukleinproteiner eller kan vi leverera mRNA eller DNA som faktiskt skulle koda för CRISPR-Cas9?"


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com