Новый подход объединяет гены для ускоренной трансформации авиационных биотопливных растений. В ходе исследования по созданию перспективных культур для реактивного биотоплива ученые разработали технологию ввода несколько генов в растения за один шаг и проверили на тополе.
«По мере того, как мы идем к цели преобразования авиационной отрасли к нулевому выбросу углерода к 2050 году с помощью экологичных видов топлива, перед нами стоят огромные задачи — технические, экономические и биологические. Возможность тестировать и вводить в растения несколько генов одновременно ускорит этот процесс и повысит вероятность того, что мы достигнем национальной цели по стопроцентному замещению авиационного топлива на нефтяной основе к 2050 году», — говорит Джерри Тускан, главный исполнительный директор Центра инноваций в области биоэнергетики, подведомственной Ок-Риджской национальной лаборатории Минэнерго США (ORNL).
Это технология заменяет кропотливый метод встраивания одного гена за раз в ДНК целевого растения, а затем секвенирование растения, чтобы убедиться, что гены находятся в нужном месте и имеют правильную ориентацию для запуска желаемых качеств.
Гены не работают в вакууме. Сложные черты, которые нужны исследователям, такие как быстрый рост и устойчивость к засухе, часто контролируются несколькими генами. Традиционная генная инженерия включает в себя добавление одного гена и связанного с ним биохимического механизма к растениям, а затем идет проверка и доказательство эффекта. Затем этот растительный материал берут и трансформируют во второй раз с помощью другого гена с подтверждением, далее третий ген и так далее. В комплексе получается очень трудоемкий процесс.
«Гораздо эффективнее, если вы можете сделать все это за одно преобразование», — поясняет Тускан.
Ученые ORNL создали новый метод доставки, используя белковые сегменты, называемые интеинами, которые обладают естественной способностью отделяться от более крупных белков, а затем соединяться вместе для создания новых белков. Исследователи использовали интеины для создания разделенной селективной маркерной системы, которая одновременно вставляла четыре гена в растения, включая гены, которые «маркируют» или идентифицируют трансформированные клетки, поддерживают их стабильность и делают изменения обнаруживаемыми биосенсорами.
Методика, описанная в журнале Communications Biology, была продемонстрирована на модельном растении арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) и тополе в качестве исходной биомассы.
Полученные гибриды исследовали при помощи разработанных ORNL биосенсоров на основе света и тестами ДНК растений для подтверждения, что новые гены интегрированы.
Руководитель проекта ORNL Сяохан Янг отметил: «Мы хотим наделить тополь такими качествами, которые сделают его экономически выгодным для выращивания и переработки в топливо для реактивных двигателей. Новая возможность объединения генов легко внедряется в существующие конвейеры трансформации растений, обеспечивая при этом гораздо более быстрые результаты».
В рамках своей миссии по разработке устойчивого непродовольственного сырья для чистого авиационного топлива ученые идентифицировали гены, отвечающий за высокую урожайность, засухоустойчивость и состав биомассы, которую легче перерабатывается в биотопливо.
Янг и его коллеги начали работу над итерацией метода одновременной вставки 12 генов: 10, связанных с биологическими функциями тополя, и двух маркеров. Янг сказал, что вполне возможно усовершенствовать технологию для наложения до 20 генов.
(Источник: ORNL. На фото вы видите растение, модифицированное с помощью системы редактирования генов CRISPR, которое светится ярко-зеленым светом под действием биосенсора, разработанного в ORNL. Автор фото: Женевьев Мартин/ORNL, Министерство энергетики США).