Учёные, работающие с растениями, используют стандартную «генную пушку» с 1988 года для генетической модификации сельскохозяйственных культур, чтобы повысить урожайность, питательную ценность, устойчивость к вредителям и другие ценные характеристики.
Эта технология, которая загружает генетические материалы на микрочастицы и использует высокое давление для их внедрения в клетки растений, представляла определённые трудности для учёных, включая неэффективность, непостоянство и даже повреждение тканей, вызванное высокоскоростными частицами.
Однако так было заведено, и учёные-растениеводы работали над преодолением этих проблем. «Мы даже не знали, что у нас есть проблема», — сказал Кан Ван, агроном из Айовского государственного университета и заслуженный профессор в области сельского хозяйства и наук о жизни.
Шань Цзян, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Айовском государственном университете, задался вопросом, можно ли что-то сделать для улучшения этого основного инструмента исследований в области растениеводства. В итоге он и его группа пришли к выводу, что учёные-растениеводы 40 лет «стреляли из пушки без ствола».
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, подробно описывается поиск исследовательской группой решения, её последующие выводы и изобретение, которое положило начало созданию стартап-компании.
Проект был не просто решением отдельной инженерной задачи. Цзян хотел использовать свой инженерный подход для улучшения науки о растениях и, возможно, жизни людей.
После получения докторской степени в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне Цзян работал в качестве постдокторанта в лаборатории Лангера в Массачусетском технологическом институте: лаборатории Роберта Лангера, который до августа прошлого года был членом правления Moderna, Inc., лидера в создании медицины на основе мРНК, включая вакцины от COVID-19.
Цзян был одним из 15 постдоков, работавших над новыми идеями по доставке генетических материалов для медицинской терапии. «Это было такое сложное исследование», — сказал он. Но одним из результатов, даже после того, как финансирование исследований иссякло, стало использование матричной РНК для производства белков, которые могли помочь организму бороться с болезнями.
«Это исследование оказало глубокое влияние на мою жизнь, — сказал Цзян. — Когда я приехал в Айовский государственный университет, я думал о том, чем я хочу заниматься».
Но в университете не было исследовательской больницы и ограниченные возможности для медицинских исследований. Он изучил научную литературу и прочитал о доставке ДНК в клетки растений для введения или усиления определённых характеристик, включая высокую урожайность, устойчивость к насекомым или жаростойкость.
Он позвонил Вану, и тот был удивлён, что разговаривает с инженером-материаловедом. Но ему было достаточно интересно, чтобы назначить обед и обсудить проблемы исследований в области растениеводства, особенно проблему доставки генетических материалов через прочные клеточные стенки растений.
«Это была такая упущенная из виду область, — сказал Цзян. — Очень немногие учёные, занимающиеся материалами, работали над доставкой в растительные клетки. Сельское хозяйство всегда упускают из виду — люди хотят лечить рак».
Принцип работы «генной пушки»
Существующая десятилетиями «генная пушка», используемая учёными-растениеводами для так называемой «биолистической» доставки генетической информации, работает путём покрытия микрочастиц золота или вольфрама, размером всего в несколько миллионных долей метра, генетическим материалом, а затем выстреливает частицы и груз в клетки растений.
Некоторые из этих клеток выживают после бомбардировки частицами, поглощают введённую ДНК и проявляют соответствующие характеристики. Из трансформированных клеток можно вырастить целые растения.
«Однако биолистическая доставка сталкивается с серьёзными проблемами, связанными с эффективностью, согласованностью и повреждением тканей, вызванным высокоскоростными микроснарядами, что препятствует регенерации и трансформации», — Цзян и соавторы написали в своей статье о проекте. «Кроме того, это часто приводит к фрагментарным и множественным вставкам трансгенов в геном, что приводит к непредсказуемой экспрессии генов».
Исследователи из Айовского государственного университета под руководством Шаня Цзяна разработали новый дизайн «генной пушки», который значительно повышает эффективность и согласованность процесса генетической модификации растений. Они назвали свою разработку «Flow Guiding Barrel» (направляющий поток ствол).
Компьютерное моделирование показывает, что обычная «генная пушка» направляет около 21% загруженных частиц к клеткам растений, в то время как модифицированная «генная пушка» с «Flow Guiding Barrel» доставляет почти 100%.
Последующие тесты учёных-растениеводов показали, например, 22-кратное увеличение эффективности временной трансфекции в тестах с луком, 17-кратное улучшение эффективности вирусной инфекции в проростках кукурузы и удвоение эффективности экспериментов с использованием инструментов для редактирования генома CRISPR в пшенице.
«Ни одно предыдущее устройство не достигло таких улучшений, предлагая существенный потенциал для продвижения генотип-независимой трансформации и редактирования генома растений», — написали соавторы статьи.
Ван, учёный-растениевод из Айовского государственного университета, к которому изначально обратился Цзян, отметил лабораторные «улучшения в 10 и иногда в 20 раз. Мы можем работать гораздо эффективнее».
Профессор растениеводства и ландшафтной архитектуры Университета Мэриленда и участник проекта Ипин Ци сказал, что «Flow Guiding Barrel» «упростит трансформацию растений и редактирование генома с улучшенной эффективностью».
В одном из тестов, например, он сказал, что «Flow Guiding Barrel» позволил реагентам CRISPR проникнуть глубже в апикальную меристему побега хлебной пшеницы, часть растения, где происходит производство клеток и листьев. «Это привело к более высокой эффективности наследуемого редактирования генома в следующем поколении пшеницы», — сказал Ци. «Хотя эта демонстрация была проведена на пшенице, можно представить, что такое улучшение может также принести пользу другим культурам, таким как ячмень, сорго и т. д.»
Благодаря повышению эффективности в 10 и 20 раз, сказал Цзян, «Flow Guiding Barrel» может сэкономить учёным-растениеводам и сельскохозяйственным компаниям миллионы долларов за счёт сокращения времени и оборота растений или продукции.
«Это небольшое устройство, и оно кажется слишком простым, — сказал Цзян. — Но преимущества, которые оно может принести, бесценны. Оно позволяет разработать более безопасные и эффективные стратегии для улучшения сельскохозяйственных культур, которые могут лучше противостоять изменениям окружающей среды, повысить пищевую ценность и способствовать устойчивому производству энергии».
Предоставлено Айовским государственным университетом.