Автоматизированная платформа для скрининга хлоропластов ускоряет создание новых признаков сельскохозяйственных культур

Хлоропласты — «энергостанции» растительных клеток — всё чаще становятся объектом синтетической биологии. Эти органеллы содержат фотосинтетический аппарат и являются местом протекания многих метаболических путей, интересных для конструирования новых признаков. Вставка генов в хлоропласты отличается точностью и меньшим риском распространения трансгенов.

Несмотря на потенциал, биотехнология хлоропластов находится в зачаточном состоянии из‑за отсутствия стандартизированных, масштабируемых методов для быстрого тестирования различных генетических компонентов. Исследовательская группа из Института наземной микробиологии им. Макса Планка в Марбурге представила платформу на основе микроводоросли, которая позволяет проводить автоматизированное, быстрое и крупномасштабное тестирование генетических модификаций хлоропластов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Plants.

Автоматизированный высокопроизводительный скрининг на уровне хлоропластов

В микробиологии оптимизация путём повторяющихся быстрых циклов является стандартной практикой. Эта платформа впервые открывает хлоропласты растений для высокопроизводительных применений. Исследователи использовали микроводоросль Chlamydomonas reinhardtii. Рене Инкеманн, проводивший работу в группе Тобиаса Эрба, поясняет: «Нам удалось охарактеризовать в водоросли более 140 регуляторных участков ДНК, охватывающих широкий диапазон силы экспрессии. Это важно для тонкой настройки генетических схем».

Все компоненты совместимы с общепринятыми биотехнологическими стандартами, поэтому библиотеку ДНК можно легко использовать в других лабораториях. Например, специалист по растениям Феликс Вилльмунд из соседнего Центра синтетической микробиологии проверил технологию и уже использует её для создания устойчивых хлоропластов. Исследователи разработали рабочий процесс, позволяющий генерировать и анализировать тысячи так называемых транспластомных линий водорослей — организмов с изменёнными геномами хлоропластов — параллельно.

Таким образом, несколько генов теперь можно стабильно комбинировать в хлоропластах и предсказуемо балансировать их активность. Это ключевой шаг к определению, какие модификации имеют реальный потенциал. Перенося только самые перспективные варианты в более сложные растительные модели, ускоряется процесс разработки от концепции до полевых испытаний и экономятся ресурсы.

От хлоропластов к сельскохозяйственным растениям

В качестве доказательства концепции команда ввела синтетический метаболический путь в хлоропласты водоросли. Сконструированный путь позволил водоросли более эффективно поглощать CO₂ в стрессовых условиях, что привело к почти двукратному увеличению производства биомассы — «турбо‑водоросли». Это демонстрирует, как целевые вмешательства в метаболизм хлоропластов могут повысить продуктивность.

Новая библиотека создаёт прочную основу для широкого спектра исследований, таких как повышение устойчивости растений к жаре, засухе или избыточному свету, улучшение питательного профиля или увеличение урожайности. Она также может служить платформой для создания новых путей фиксации углерода или производства ценных природных соединений (например, прекурсоров фармацевтических препаратов).

«Платформа, представленная здесь, будет играть центральную роль в исследовательском консорциуме Robust Chloroplast, а также в кластере передовых исследований Microbes‑4‑Climate, где вместе с Марбургским университетом мы стремимся разработать новые биологические решения для борьбы с изменением климата», — говорит Эрб. «Такие ключевые технологии необходимы для целенаправленных исследований в темпе, соответствующем срочности климатических проблем».