MIT-forskare har utvecklat ett nytt genetiskt verktyg som kan göra det lättare att konstruera växter som kan överleva torka eller motstå svampinfektioner. Deras teknik, som använder nanopartiklar för att leverera gener till kloroplasterna i växtceller, arbetar med många olika växtarter, inklusive spenat och andra grönsaker.

Denna nya strategi kan hjälpa växtbiologer att övervinna svårigheterna med att genetiskt modifiera växter, som nu är ett komplex, tidskrävande process som måste anpassas till den specifika växtart som förändras.

"Detta är en universell mekanism som fungerar över växtarter, " säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT, om den nya metoden.

Strano och Nam-Hai Chua, vice ordförande för Temasek Life Sciences Laboratory vid National University of Singapore och professor emeritus vid Rockefeller University, är seniorförfattarna till studien, som visas i numret 25 februari av Naturens nanoteknik .

"Detta är ett viktigt första steg mot kloroplastomvandling, "Chua säger. "Denna teknik kan användas för snabb screening av kandidatgener för kloroplastuttryck i en mängd olika växter."

Denna studie är den första som kommer från det nyligen lanserade programmet Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) i Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), som leds av Strano och Chua. Huvudförfattarna till studien är tidigare MIT postdoc Seon-Yeong Kwak, som nu är vetenskaplig chef för DiSTAP-programmet, och MIT doktorand Tedrick Thomas Salim Lew.

Inriktning på kloroplaster

Några år sedan, Strano och hans kollegor upptäckte att genom att justera storleken och den elektriska laddningen av nanopartiklar, de kunde designa nanopartiklarna för att penetrera växtcellmembran. Denna mekanism, kallas lipid exchange envelope penetration (LEEP), lät dem skapa växter som lyser, genom att bädda in nanopartiklar som bär luciferas, ett ljusavgivande protein, in i sina löv.

Så snart MIT-teamet rapporterade att de använde LEEP för att få in nanopartiklar i växter, växtbiologer började fråga om det kunde användas för att genmanipulera växter, och mer specifikt, för att få in gener i kloroplaster. Växtceller har dussintals kloroplaster, så att inducera kloroplasterna (istället för bara kärnan) att uttrycka gener kan vara ett sätt att generera mycket större mängder av ett önskat protein.

"Att ta med genetiska verktyg till olika delar av växten är något som växtbiologer är mycket intresserade av, " säger Strano. "Varje gång jag håller ett föredrag för ett växtbiologisamhälle, de frågar om du kan använda den här tekniken för att leverera gener till kloroplasten."

Kloroplasten, mest känd som platsen för fotosyntesen, innehåller cirka 80 gener, som kodar för proteiner som krävs för att utföra fotosyntes. Kloroplasten har också sina egna ribosomer, så att den kan samla proteiner i kloroplasten. Tills nu, det har varit mycket svårt för forskare att få in gener i kloroplasten:Den enda befintliga tekniken kräver att man använder en högtrycks-"genpistol" för att tvinga in gener i cellerna, vilket kan skada anläggningen och inte är särskilt effektivt.

Genom att använda sin nya strategi, MIT-teamet skapade nanopartiklar bestående av kolnanorör inslagna i kitosan, ett naturligt förekommande socker. DNA, som är negativt laddad, binder löst till de positivt laddade kolnanorören. För att få in nanopartiklarna i växtblad, forskarna applicerar en nållös spruta fylld med partikellösningen på undersidan av bladytan. Partiklar kommer in i bladet genom små porer som kallas stomata, som normalt kontrollerar vattenavdunstning.

Väl inne i bladet, nanopartiklarna passerar genom växtens cellvägg, cellmembran, och sedan kloroplastens dubbla membran. Efter att partiklarna kommit in i kloroplasten, kloroplastens något mindre sura miljö gör att DNA:t frigörs från nanopartiklarna. Väl befriad, DNA:t kan översättas till proteiner.

I den här studien, forskarna levererade en gen för gult fluorescerande protein, så att de enkelt kan visualisera vilka växtceller som uttryckte proteinet. De fann att cirka 47 procent av växtcellerna producerade proteinet, men de tror att det skulle kunna öka om de kunde leverera fler partiklar.

Mer motståndskraftiga växter

En stor fördel med detta tillvägagångssätt är att det kan användas över många växtarter. I den här studien, forskarna testade det i spenat, vattenkrasse, tobak, ruccola, och Arabidopsis thaliana, en typ av växt som vanligtvis används inom forskning. De visade också att tekniken inte är begränsad till kolnanorör och potentiellt kan utvidgas till andra typer av nanomaterial.

Forskarna hoppas att detta nya verktyg kommer att göra det möjligt för växtbiologer att lättare konstruera en mängd olika önskvärda egenskaper i grönsaker och grödor. Till exempel, jordbruksforskare i Singapore och på andra håll är intresserade av att skapa bladgrönsaker och grödor som kan växa med högre täthet, för stadsodling. Andra möjligheter inkluderar att skapa torka-resistenta grödor; tekniska grödor som bananer, citrus, och kaffe för att vara resistent mot svampinfektioner som hotar att utplåna dem; och modifiera ris så att det inte tar upp arsenik från grundvattnet.

Eftersom de konstruerade generna endast bärs i kloroplasterna, som ärvs moderligt, de kan överföras till avkommor men kan inte överföras till andra växtarter.

"Det är en stor fördel, för om pollenet har en genetisk modifiering, det kan spridas till ogräs och man kan göra ogräs som är resistenta mot herbicider och bekämpningsmedel. Eftersom kloroplasten förs vidare till modern, det passerar inte genom pollenet och det finns en högre nivå av geninneslutning, " säger Lew.