Tim sa Instituta za inovativnu genomiku na Univerzitetu u Kaliforniji u Berkliju (UCB) proizveo je povećanje ekspresije gena u usevima za hranu promenom njegove gornje regulatorne DNK. Dok su druge studije koristile CRISPR/Cas9 uređivanje gena za uklanjanje ili smanjenje ekspresije gena, novo istraživanje objavljeno u Science Advances je prvi nepristrasni pristup za uređivanje gena za povećanje ekspresije gena i fotosintetičke aktivnosti nizvodno.
„Alati poput CRISPR/Cas9 ubrzavaju našu sposobnost da fino podesimo ekspresiju gena u usevima, umesto da samo izbacimo gene ili ih „isključimo“. Prošla istraživanja su pokazala da se ovaj alat može koristiti za smanjenje ekspresije gena uključenih u važne kompromise, kao što su oni između arhitekture biljke i veličine ploda“, rekao je Dhruv Patel-Tupper, vodeći autor studije i bivši postdoktorski istraživač u Niiogi Lab u UCB.
„Ovo je prva studija, koliko znamo, u kojoj smo pitali da li možemo da koristimo isti pristup da povećamo ekspresiju gena i poboljšamo nizvodnu aktivnost na nepristrasan način.“
Za razliku od strategija sintetičke biologije koje koriste gene drugih organizama za poboljšanje fotosinteze, geni uključeni u proces fotozaštite prirodno se nalaze u svim biljkama.
Inspirisan dokumentom Nature Communications iz 2018. koji je poboljšao efikasnost upotrebe vode modela useva prekomernom ekspresijom jednog od ovih gena, PsbS, u biljkama, laboratorija Niiogi i njen vođa Kris Niiogi, želeli su da shvate kako da promene ekspresiju prirodni geni biljke bez dodavanja stranog DNK.
Prema Organizaciji za hranu i poljoprivredu, pirinač obezbeđuje najmanje 20% svetskih kalorija, a pošto ima samo po jednu kopiju svakog od tri ključna gena za fotoprotekciju u biljkama, bio je idealan model sistema za ovu studiju uređivanja gena.
Laboratorija Niiogi je nastavila sa ovim radom kao deo Realizing Increased Photosinthetic Efficienci (RIPE), međunarodnog istraživačkog projekta koji vodi Univerzitet Ilinois koji ima za cilj da poveća globalnu proizvodnju hrane razvojem prehrambenih useva koji pretvaraju sunčevu energiju u hranu efikasnije uz podršku fondacija Bill & Melinda Gates, Fondacija za istraživanje hrane i poljoprivrede i Kancelarija za inostrane poslove, Komonvelt i razvoj Velike Britanije.
Plan laboratorije je bio da koristi CRISPR/Cas9 za promenu DNK uzvodno od ciljnog gena, koji kontroliše koliki se deo gena izražava i kada. Pitali su se da li će te promene uticati na nizvodne aktivnosti i koliko. Čak su i oni bili iznenađeni rezultatima.
„Promene u DNK koje su povećale ekspresiju gena bile su mnogo veće nego što smo očekivali i veće nego što smo zaista videli u drugim sličnim pričama“, rekao je Patel-Tuper, sada saradnik AAAS za nauku i tehnologiju u USDA.
„Bili smo pomalo iznenađeni, ali mislim da to pokazuje koliko plastičnosti imaju biljke i usevi. Oni su navikli na ove velike promene u svom DNK od miliona godina evolucije i hiljada godina pripitomljavanja. Kao biljni biolozi , možemo iskoristiti taj „prostor za pomeranje“ da napravimo velike promene za samo nekoliko godina kako bismo pomogli biljkama da rastu efikasnije ili da se prilagode klimatskim promenama.“
U ovoj studiji, istraživači RIPE-a su saznali da su inverzije, ili „okretanje“ regulatorne DNK, rezultirale povećanom ekspresijom gena PsbS. Jedinstveno za ovaj projekat, nakon što je napravljena najveća inverzija DNK, članovi tima su sproveli eksperiment sekvenciranja RNK kako bi uporedili kako se aktivnost svih gena u genomu pirinča promenila sa i bez njihovih modifikacija.
Ono što su otkrili je veoma mali broj različito eksprimiranih gena, mnogo manji od sličnih studija transkriptoma, što sugeriše da njihov pristup nije ugrozio aktivnost drugih esencijalnih procesa.
Patel-Tupper je dodao da iako je tim pokazao da je ova metoda moguća, ona je i dalje relativno retka. Oko 1% biljaka koje su proizveli imalo je željeni fenotip.
„Ovde smo pokazali dokaz koncepta, da možemo da koristimo CRISPR/Cas9 da generišemo varijante u ključnim genima useva i postignemo iste skokove kao i u tradicionalnim pristupima oplemenjivanju biljaka, ali na veoma fokusiranoj osobini koju želimo da osmislimo i to u mnogo bržem vremenskom okviru“, rekao je Patel-Tupper.
„Definitivno je teže nego korišćenje transgenog biljnog pristupa, ali promenom nečega što već postoji, možda ćemo moći da preduhitrimo regulatorna pitanja koja mogu usporiti koliko brzo dobijamo ovakve alate u ruke farmera.“
