Μια νέα, μεγάλης κλίμακας μέθοδος γενετικής τροποποίησης που αναπτύχθηκε στο Τελ Αβίβ καθιστά δυνατή την αποκάλυψη του ρόλου και των ιδιοτήτων των διπλών γονιδίων στα φυτά.
Μια ανακάλυψη του τρόπου με τον οποίο η γενετική τροποποίηση των φυτών που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ (TAU) – το οποίο την αποκαλεί «πρώτο στον κόσμο» – αναμένεται να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο βελτιώνονται οι γεωργικές καλλιέργειες, συμπεριλαμβανομένων στοχευμένων αλλαγών που θα βελτιώσουν τις ιδιότητες όπως η υψηλότερη αποδόσεις και αντοχή στην ξηρασία και τα παράσιτα.
«Η νέα εξέλιξη επιτρέπει την ελεγχόμενη και στοχευμένη βελτίωση των καλλιεργειών σε γονιδιωματική κλίμακα. Έχουμε ήδη εφαρμόσει τη μέθοδό μας με μεγάλη επιτυχία σε φυτά ρυζιού και ντομάτας και σκοπεύουμε να την εφαρμόσουμε και σε άλλες καλλιέργειες», είπε ο Δρ Yangjie Hu, ο οποίος εργάστηκε υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Eilon Shani και του καθ. Itay Mayrose από TAU's School of Plant Sciences and Food Security στο Wise Faculty of Life Sciences.
Η τεχνολογία κλίμακας γονιδιώματος καθιστά δυνατή την αποκάλυψη του ρόλου των γονιδίων και των χαρακτηριστικών στα φυτά που μέχρι τώρα ήταν κρυμμένα από λειτουργικό πλεονασμό. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι από τη γεωργική επανάσταση, οι άνθρωποι εργάστηκαν για τη βελτίωση των φυτικών ποικιλιών για γεωργικούς σκοπούς, δημιουργώντας γενετική ποικιλότητα. Αλλά μέχρι αυτή την πρόσφατη εξέλιξη, ήταν δυνατή μόνο η εξέταση των λειτουργιών μεμονωμένων γονιδίων που αποτελούν μόνο το 20% του γονιδιώματος. Για το υπόλοιπο 80% του γονιδιώματος που αποτελείται από γονίδια ομαδοποιημένα σε οικογένειες, δεν υπήρχε αποτελεσματικός τρόπος, σε μεγάλη κλίμακα ολόκληρου του γονιδιώματος, να προσδιοριστεί ο ρόλος τους στο φυτό.
Ως αποτέλεσμα αυτής της μοναδικής εξέλιξης, η ομάδα των ερευνητών κατάφερε να απομονώσει και να εντοπίσει δεκάδες νέα χαρακτηριστικά που μέχρι τώρα είχαν παραβλεφθεί. Η ανάπτυξη μπορεί να εφαρμοστεί στις περισσότερες καλλιέργειες και γεωργικά χαρακτηριστικά, είπε η ομάδα, την οποία βοήθησαν επιστήμονες από τη Γαλλία, τη Δανία και την Ελβετία.
Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο έγκριτο περιοδικό Nature Plants με τον τίτλο «Multi-Knock – μια εργαλειοθήκη CRISPR σε κλίμακα γονιδιώματος πολλαπλών στόχων για να ξεπεραστεί ο λειτουργικός πλεονασμός στα φυτά».
Ως μέρος της έρευνας, η ομάδα χρησιμοποίησε την καινοτόμο τεχνολογία CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, ένα βακτηριακό αμυντικό σύστημα που αποτελεί τη βάση για την τεχνολογία επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR-Cas9) και μεθόδους από τον τομέα της βιοπληροφορικής και της μοριακής γενετικής για την ανάπτυξη μια νέα μέθοδος για τον εντοπισμό γονιδίων που είναι υπεύθυνα για συγκεκριμένα χαρακτηριστικά στα φυτά.
«Για χιλιάδες χρόνια, από την αγροτική επανάσταση, ο άνθρωπος βελτιώνει διάφορες ποικιλίες φυτών για τη γεωργία προωθώντας τη γενετική ποικιλότητα», εξήγησε ο Shani. «Αλλά μέχρι πριν από λίγα χρόνια, δεν ήταν δυνατή η γενετική παρέμβαση με στοχευμένο τρόπο, αλλά μόνο για τον εντοπισμό και την προώθηση επιθυμητών χαρακτηριστικών που δημιουργήθηκαν τυχαία. Η ανάπτυξη τεχνολογιών γονιδιακής επεξεργασίας επιτρέπει τώρα να γίνουν ακριβείς αλλαγές σε μεγάλο αριθμό φυτών».
Περιορισμοί στη γενετική τροποποίηση μέχρι τώρα
Οι ερευνητές είπαν ότι παρά την ανάπτυξη τεχνολογιών γενετικής επεξεργασίας όπως το CRISPR, εξακολουθούν να υπάρχουν αρκετές προκλήσεις που περιόρισαν την εφαρμογή του στη γεωργία. Ένα από αυτά ήταν η ανάγκη να προσδιοριστούν όσο το δυνατόν ακριβέστερα ποια γονίδια στο γονιδίωμα του φυτού είναι υπεύθυνα για ένα συγκεκριμένο επιθυμητό χαρακτηριστικό που πρέπει να καλλιεργηθεί. Η αποδεκτή τεχνική για την αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης είναι η παραγωγή μεταλλάξεων, δηλαδή η τροποποίηση γονιδίων με διαφορετικούς τρόπους, και στη συνέχεια η εξέταση των αλλαγών στα χαρακτηριστικά του φυτού ως αποτέλεσμα της μετάλλαξης στο DNA και η εκμάθηση από αυτό για τη λειτουργία του το γονίδιο.
Έτσι, για παράδειγμα, εάν αναπτυχθεί ένα φυτό με πιο γλυκό καρπό, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι το αλλοιωμένο γονίδιο καθορίζει τη γλυκύτητα του καρπού. Αυτή η στρατηγική έχει χρησιμοποιηθεί για δεκαετίες και ήταν πολύ επιτυχημένη, αλλά έχει επίσης ένα θεμελιώδες πρόβλημα – ένα μέσο φυτό όπως η ντομάτα ή το ρύζι έχει περίπου 30.000 γονίδια, αλλά περίπου το 80% από αυτά δεν λειτουργούν μόνοι τους αλλά ομαδοποιούνται σε οικογένειες παρόμοιων γονιδίων. Έτσι, εάν ένα μόνο γονίδιο από μια συγκεκριμένη οικογένεια γονιδίων έχει μεταλλαχθεί, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ότι ένα άλλο γονίδιο από την ίδια οικογένεια (στην πραγματικότητα ένα αντίγραφο πολύ παρόμοιο με το μεταλλαγμένο γονίδιο) θα καλύψει τους φαινοτύπους στη θέση του μεταλλαγμένου γονιδίου. Λόγω αυτού του φαινομένου, που ονομάζεται γενετικός πλεονασμός, είναι δύσκολο να δημιουργηθεί μια αλλαγή στο ίδιο το φυτό και να προσδιοριστεί η λειτουργία του γονιδίου και η σύνδεσή του με ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό.
Η νέα μελέτη προσπάθησε να βρει μια λύση στο πρόβλημα του γενετικού πλεονασμού χρησιμοποιώντας το CRISPR, το οποίο βασίζεται σε ένα ένζυμο που ονομάζεται Cas9 που βρίσκεται φυσικά σε βακτήρια των οποίων ο ρόλος είναι να κόβουν ξένες αλληλουχίες DNA. Με το ένζυμο μπορεί να συσχετιστεί μια αλληλουχία sgRNA, η οποία προσδιορίζει την αλληλουχία DNA που χρειάζεται να κόψει το ένζυμο», σημείωσε η Mayrose. «Αυτή η μέθοδος γενετικής επεξεργασίας μας επιτρέπει να σχεδιάσουμε διαφορετικές αλληλουχίες sgRNA για να επιτρέψουμε στο Cas9 να κόψει σχεδόν οποιοδήποτε γονίδιο θέλουμε να αλλάξουμε. Θέλαμε να εφαρμόσουμε αυτή την τεχνική για να βελτιώσουμε τον έλεγχο της δημιουργίας μεταλλάξεων στα φυτά για σκοπούς γεωργικής βελτίωσης και συγκεκριμένα για να ξεπεράσουμε τον κοινό περιορισμό που θέτει ο γενετικός πλεονασμός».
Στο πρώτο στάδιο, διεξήχθη μια μελέτη βιοπληροφορικής σε υπολογιστή, η οποία –σε αντίθεση με τις περισσότερες μελέτες στο πεδίο– αρχικά κάλυψε ολόκληρο το γονιδίωμα. Οι ερευνητές επέλεξαν να επικεντρωθούν στο φυτό Arabidopsis, το οποίο χρησιμοποιείται ως μοντέλο σε πολλές μελέτες και έχει περίπου 30.000 γονίδια. Πρώτον, εντόπισαν και απομόνωσαν περίπου 8.000 μεμονωμένα γονίδια που δεν έχουν μέλη οικογένειας και επομένως δεν έχουν αντίγραφα στο γονιδίωμα. Τα υπόλοιπα 22.000 γονίδια χωρίστηκαν σε οικογένειες και για κάθε οικογένεια σχεδιάστηκαν υπολογιστικά οι κατάλληλες αλληλουχίες sgRNA. Κάθε αλληλουχία sgRNA σχεδιάστηκε για να καθοδηγεί το ένζυμο κοπής Cas9 σε μια συγκεκριμένη γενετική αλληλουχία που χαρακτηρίζει ολόκληρη την οικογένεια, με στόχο τη δημιουργία μεταλλάξεων σε όλα τα μέλη της οικογένειας, έτσι ώστε αυτά τα γονίδια να μην μπορούν πλέον να επικαλύπτονται μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο, κατασκευάστηκε μια βιβλιοθήκη που είχε συνολικά περίπου 59.000 αλληλουχίες sgRNA και κάθε sgRNA από μόνο του μπορεί να τροποποιήσει ταυτόχρονα δύο έως 10 γονίδια από κάθε οικογένεια γονιδίων, εξουδετερώνοντας έτσι αποτελεσματικά το φαινόμενο του γενετικού πλεονασμού.
Επιπλέον, οι αλληλουχίες sgRNA χωρίστηκαν σε 10 υποβιβλιοθήκες από περίπου 6.000 αλληλουχίες sgRNA η καθεμία σύμφωνα με τον υποτιθέμενο ρόλο των γονιδίων – όπως κωδικοποίηση για ένζυμα, υποδοχείς, παράγοντες μεταγραφής και άλλα. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η δημιουργία των βιβλιοθηκών τους έδωσε τη δυνατότητα να εστιάσουν και να βελτιστοποιήσουν την αναζήτηση γονιδίων που είναι υπεύθυνα για επιθυμητά χαρακτηριστικά, μια αναζήτηση που μέχρι τώρα ήταν σε μεγάλο βαθμό τυχαία.
Στο επόμενο βήμα, οι ερευνητές μετακινήθηκαν από τον υπολογιστή στο εργαστήριο, όπου δημιούργησαν και τις 59.000 αλληλουχίες sgRNA που σχεδιάστηκαν με την υπολογιστική μέθοδο και τις δημιούργησαν σε νέες βιβλιοθήκες πλασμιδίων (κυκλικά τμήματα DNA) σε συνδυασμό με το ένζυμο κοπής. Στη συνέχεια, οι ερευνητές δημιούργησαν χιλιάδες νέα φυτά που περιείχαν τις βιβλιοθήκες - όπου κάθε φυτό εμφυτεύτηκε με μια ενιαία αλληλουχία sgRNA που κατευθύνεται εναντίον μιας συγκεκριμένης οικογένειας γονιδίων.
Οι ερευνητές παρατήρησαν τα χαρακτηριστικά που εκδηλώθηκαν στα φυτά μετά τις τροποποιήσεις του γονιδιώματος και όταν παρατηρήθηκε ένας ενδιαφέρον φαινότυπος σε ένα συγκεκριμένο φυτό. ήταν εύκολο να γνωρίζουμε ποια γονίδια ήταν υπεύθυνα για την αλλαγή με βάση την αλληλουχία sgRNA που εισήχθη σε αυτήν. Επίσης, μέσω της αλληλουχίας DNA των ταυτοποιημένων γονιδίων, κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί η φύση της μετάλλαξης που προκάλεσε την αλλαγή και τη συμβολή της στις νέες ιδιότητες του φυτού.
Με αυτόν τον τρόπο χαρτογραφήθηκαν πολλά νέα χαρακτηριστικά που μέχρι τώρα ήταν μπλοκαρισμένα λόγω γενετικού πλεονασμού. Η ομάδα εντόπισε συγκεκριμένες πρωτεΐνες που αποτελούν έναν μηχανισμό που σχετίζεται με τη μεταφορά της ορμόνης κυτοκινίνης, η οποία είναι απαραίτητη για τη βέλτιστη ανάπτυξη των φυτών.
«Η νέα μέθοδος που αναπτύξαμε αναμένεται να βοηθήσει πολύ στη βασική έρευνα για την κατανόηση των διαδικασιών στα φυτά, αλλά πέρα από αυτό, έχει τεράστια σημασία για τη γεωργία – καθιστά δυνατή την αποτελεσματική και ακριβή αποκάλυψη της δεξαμενής γονιδίων που είναι υπεύθυνα για τα χαρακτηριστικά μας επιδιώξτε να βελτιώσετε, όπως αντίσταση στην ξηρασία, τα παράσιτα και τις ασθένειες ή την αύξηση των αποδόσεων», κατέληξε ο Shani. «Πιστεύουμε ότι αυτό είναι το μέλλον της γεωργίας-ελεγχόμενης και στοχευμένης βελτίωσης των καλλιεργειών σε μεγάλη κλίμακα. Σήμερα εφαρμόζουμε τη μέθοδο που αναπτύξαμε σε φυτά ρυζιού και ντομάτας με μεγάλη επιτυχία και σκοπεύουμε να την εφαρμόσουμε και σε άλλες καλλιέργειες».
Για το σκοπό αυτό, η εταιρεία εμπορευματοποίησης τεχνολογίας της TAU (Ramot), σε συνεργασία με τον όμιλο AgChimedes, ίδρυσε την εταιρεία DisTree. Αυτή η οικονομική επένδυση, σε συνδυασμό με την επιχειρηματική και επαγγελματική υποστήριξη του Agchimedes, θα επιτρέψει στην DisTree να εφαρμόσει τη νέα τεχνολογία σε μια ποικιλία καλλιεργειών, με στόχο να φέρει επανάσταση στη γενετική του κόσμου της γεωργίας και να επιτρέψει τη διατροφική ασφάλεια στην εποχή της κλιματικής κρίσης .
Πηγή: www.jpost.com