Nyligt modificeret nanopartikel åbner vindue til fremtidige genredigeringsteknologier

Den videnskabelige og teknologiske litteratur bugner af nanoteknologi og dens fremstilling og medicinske anvendelser. Men det er i et område med en mindre glitrende aura - plantevidenskab - hvor nanoteknologiske fremskridt bidrager dramatisk til landbruget.

Forskere ved Iowa State University har nu demonstreret evnen til at levere proteiner og DNA til planteceller, samtidigt. Dette er vigtigt, fordi det nu åbner muligheder for mere sofistikeret og målrettet plantegenomredigering - teknikker, der kræver præcis levering af både protein og DNA for at frembringe specifikke genmodifikationer i afgrødeplanter. Sådanne ændringer bliver mere og mere vigtige i lyset af vores skiftende klima som nye skadedyr, plantesygdomme og jordpåvirkninger opstår, hvor der tidligere var få.

Mens DNA-levering til celler er blevet rutine, at levere proteiner og enzymer til både dyre- og planteceller har vist sig at være mere udfordrende. Iowa State-holdets fremskridt med proteinlevering er en vigtig præstation i denne henseende.

En forskningsartikel, der beskriver fremskridtet, er blevet offentliggjort online af tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer . Arbejdet blev delvist sponsoreret af Pioneer Hi-Bred med langsigtet støtte fra Iowa State University's Plant Sciences Institute.

Forskerholdet i Iowa State inkluderer Kan Wang, professor i agronomi; Brian Trewyn, associeret videnskabsmand i kemi; Susana Martin-Ortigosa, en post-doc forskningsmedarbejder i agronomi; og Justin Valenstein, en kemidoktorand.

Nanopartikler er små materialer, der svarer til størrelsen af ​​flere molekyler, der sidder side om side eller på størrelse med en stor virus. En enkelt nanometer er en milliarddel af en meter. Den virus, der forårsager AIDS, er omkring 100 nanometer i diameter.

Ved at bruge nye og forbedrede specialbyggede honeycomb-lignende mesoporøse silica nanopartikler, som Iowa State-teamet designede for fem år siden, forskerne har vist samlevering af funktionelt protein og DNA til planteceller.

Den første generation af disse skræddersyede partikler var relativt små (100 nanometer), og derfor var de tilgængelige pakningsrum ude af stand til at rumme større funktionelle molekyler såsom proteiner eller enzymer. Denne næste generation er fem gange så stor (500 nanometer) og ligner noget som et ultrafint stykke Honeycomb-korn.

Nøglen til forskernes succes er en nyligt udviklet metode til fremstilling af større ensartede poser i de brugerdefinerede nanopartikler. En yderligere modifikation - guldplettering af hele silicapartiklerne før pakning - forbedrede DNA- og proteinbinding for en mere sikker nyttelast.

For at teste den nye partikels effektivitet, Wang og hendes kolleger fyldte porerne med et grønt fluorescerende protein afledt af geléfisk, som fungerer som fotomarkør inde i plantecellen. Næste, disse partikler blev coatet med DNA, der koder for et rødt protein fra koraller. Komplekset blev derefter skudt ind i planteceller ved hjælp af en genpistol, en traditionel genleveringsmetode, der får fremmedmateriale forbi plantens beskyttende cellevæg.

Guldbelægningsinnovationen tilførte partiklerne noget stærkt tiltrængt ballistisk tyngde, sikre deres evne til at kanonkugle gennem plantecellevæggen, når de først er frigivet fra genpistolen.

Celler, der fluorescerer både røde og grønne på samme tid, bekræfter vellykket levering. Holdet har vist succes med løg, tobaks- og majsceller.

Arbejdet er en håndgribelig erkendelse af indsatsen, som holdet havde i designfasen for blot to år siden, da kollega Victor Lin fra Iowa State University og det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory uventet døde. "Han var sådan en genial videnskabsmand, "siger Wang." Vi følte os alle helt tabte, da vi mistede ham. "

Men holdet tog sig sammen, udnytte den fremragende træning, som alle havde modtaget fra arbejdet med Lin for at gøre denne næste generationspartikel til virkelighed.

"Vi ville ikke have været i stand til at lave noget uden hinanden, " siger Wang. "Denne succes beviser, at hans arv fortsætter."