Team bruger nanopartikler til at levere gener til plantekloroplaster

MIT -forskere har udviklet et nyt genetisk værktøj, der kan gøre det lettere at konstruere planter, der kan overleve tørke eller modstå svampeinfektioner. Deres teknik, som bruger nanopartikler til at levere gener til chloroplaster i planteceller, arbejder med mange forskellige plantearter, herunder spinat og andre grøntsager.

Denne nye strategi kan hjælpe plantebiologer med at overvinde de vanskeligheder, der er forbundet med genetisk modificerende planter, som nu er et kompleks, tidskrævende proces, der skal tilpasses de specifikke plantearter, der ændres.

"Dette er en universel mekanisme, der fungerer på tværs af plantearter, "siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT, om den nye metode.

Strano og Nam-Hai Chua, næstformand for Temasek Life Sciences Laboratory ved National University of Singapore og professor emeritus ved Rockefeller University, er seniorforfatterne af undersøgelsen, som fremgår af 25. februar -udgaven af Naturnanoteknologi .

"Dette er et vigtigt første skridt i retning af chloroplast -transformation, "Chua siger." Denne teknik kan bruges til hurtig screening af kandidatgener for kloroplastekspression i en lang række afgrødeplanter. "

Denne undersøgelse er den første, der kommer frem fra det nyligt lancerede Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) program i Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), som ledes af Strano og Chua. Undersøgelsens hovedforfattere er tidligere MIT postdoc Seon-Yeong Kwak, der nu er den videnskabelige direktør for DiSTAP -programmet, og MIT -kandidatstuderende Tedrick Thomas Salim Lew.

Målretning mod kloroplaster

Et par år siden, Strano og hans kolleger opdagede, at ved at indstille nanopartiklers størrelse og elektriske ladning, de kunne designe nanopartiklerne til at trænge igennem plantecellemembraner. Denne mekanisme, kaldet lipid exchange envelope penetration (LEEP), tilladt dem at skabe planter, der lyser, ved at indlejre nanopartikler, der bærer luciferase, et lysemitterende protein, ind i deres blade.

Så snart MIT -teamet rapporterede at bruge LEEP til at få nanopartikler ind i planter, plantebiologer begyndte at spørge, om det kunne bruges til at genetisk manipulere planter, og mere specifikt, at få gener ind i kloroplaster. Planteceller har snesevis af kloroplaster, så at få chloroplaster (i stedet for bare kernen) til at udtrykke gener kunne være en måde at generere meget større mængder af et ønsket protein.

"At bringe genetiske værktøjer til forskellige dele af planten er noget, plantebiologer er meget interesserede i, "Siger Strano." Hver gang jeg holder en tale til et plantebiologisk samfund, de spørger, om du kunne bruge denne teknik til at levere gener til kloroplasten. "

Kloroplasten, bedst kendt som stedet for fotosyntese, indeholder omkring 80 gener, hvilken kode for proteiner, der kræves for at udføre fotosyntese. Kloroplasten har også sine egne ribosomer, gør det muligt at samle proteiner i kloroplasten. Indtil nu, det har været meget svært for forskere at få gener ind i kloroplasten:Den eneste eksisterende teknik kræver, at man bruger en højtryks "genpistol" til at tvinge gener ind i cellerne, som kan skade anlægget og ikke er særlig effektiv.

Ved hjælp af deres nye strategi, MIT -teamet skabte nanopartikler bestående af carbon nanorør indpakket i chitosan, et naturligt forekommende sukker. DNA, som er negativt ladet, binder løst til de positivt ladede carbon nanorør. For at få nanopartiklerne ind i planteblade, forskerne anvender en nåleløs sprøjte fyldt med partikelopløsningen på undersiden af ​​bladoverfladen. Partikler kommer ind i bladet gennem små porer kaldet stomata, som normalt styrer fordampning af vand.

En gang inde i bladet, nanopartiklerne passerer gennem plantens cellevæg, cellemembraner, og derefter kloroplastens dobbelte membraner. Efter at partiklerne er kommet ind i kloroplasten, kloroplastens lidt mindre sure miljø får DNA'et til at frigives fra nanopartiklerne. En gang frigivet, DNA'et kan oversættes til proteiner.

I dette studie, forskerne leverede et gen for gult fluorescerende protein, giver dem mulighed for let at visualisere, hvilke planteceller der udtrykte proteinet. De fandt ud af, at omkring 47 procent af plantecellerne producerede proteinet, men de tror, ​​at det kunne øges, hvis de kunne levere flere partikler.

Mere modstandsdygtige planter

En stor fordel ved denne tilgang er, at den kan bruges på tværs af mange plantearter. I dette studie, forskerne testede det i spinat, brøndkarse, tobak, rucola, og Arabidopsis thaliana, en plantetype, der almindeligvis bruges i forskning. De viste også, at teknikken ikke er begrænset til carbon nanorør og potentielt kan udvides til andre typer nanomaterialer.

Forskerne håber, at dette nye værktøj vil gøre det muligt for plantebiologer lettere at konstruere en række ønskelige træk til grøntsager og afgrøder. For eksempel, landbrugsforskere i Singapore og andre steder er interesserede i at skabe bladgrøntsager og afgrøder, der kan vokse ved højere tætheder, til bybrug. Andre muligheder omfatter at skabe tørkebestandige afgrøder; ingeniørafgrøder såsom bananer, citrus, og kaffe for at være resistent over for svampeinfektioner, der truer med at udslette dem; og modificering af ris, så den ikke optager arsen fra grundvand.

Fordi de konstruerede gener kun bæres i chloroplaster, som er arvet moderligt, de kan overføres til afkom, men kan ikke overføres til andre plantearter.

"Det er en stor fordel, fordi hvis pollen har en genetisk modifikation, det kan sprede sig til ukrudt, og du kan lave ukrudt, der er resistent over for herbicider og pesticider. Fordi kloroplasten videregives maternelt, det passeres ikke gennem pollen, og der er et højere niveau af genindeslutning, "Siger Lew.