Улучшение метода генной инженерии растений ускорит создание биотоплива и биопродуктов
Новое исследование показывает, что простые изменения в бактерии Agrobacterium tumefaciens, ключевом инструменте генной инженерии растений, могут значительно повысить эффективность встраивания ДНК в геном (трансформации). Это открывает возможности для более эффективной оптимизации сельскохозяйственных культур и грибов для производства биотоплива и биопродуктов.
Исследование, опубликованное в Nature Biotechnology, возглавил Патрик Ши из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) и Инновационного института геномики (IGI).
«Текущий подход к трансформации растений медленный и является значительным узким местом в разработке биологических видов топлива и материалов, не полученных из нефти», — сказал Ши.
Оптимизация 40-летнего подхода
Процесс Agrobacterium-опосредованной трансформации (AMT) стал широко используемым инструментом в биотехнологии растений и грибов. В основе системы лежит небольшая круговая плазмида — «бинарный вектор», — которая доставляет интересующую ДНК в клетки растений.
«Мы задались вопросом: является ли эта система оптимизированной? У нас было сильное ощущение, что ответ — нет, потому что никогда не было попыток действительно сконструировать ее для оптимизации AMT», — объясняет первый автор, аспирант UC Berkeley Мэтью Шарзанович.
Проблемы трансформации
Многие растения, включая важную для биотоплива культуру сорго, плохо поддаются трансформации Agrobacterium, что делает процесс дорогим и медленным.
«Если бы вы могли увеличить и ускорить процесс трансформации растения и получить больше событий из одной попытки, это могло бы сэкономить много времени и денег», — говорит Ши.
Больше копий — больше успеха
Команда сосредоточилась на области происхождения репликации в бинарном векторе, которая контролирует количество копий плазмиды. Предыдущие данные предполагали, что большее число копий может повысить эффективность трансформации.
Исследователи протестировали четыре различных происхождения репликации, создали случайные мутации и использовали направленную эволюцию для отбора вариантов с более высоким числом копий.
«Мы показали, что многие из этих мутаций действительно увеличивали число копий. Затем мы использовали эти плазмиды в качестве бинарного вектора», — говорит Ши.
Увеличение числа копий плазмиды подтвердило, что это повышает эффективность трансформации. Результаты превзошли ожидания:
- Эффективность трансформации растений повысилась до 100%.
- Эффективность трансформации грибов повысилась до 400%.
Всего этого удалось достичь, добавив простые точковые мутации в область происхождения репликации.
Значение для CRISPR и будущих исследований
Это открытие также важно для редактирования генов CRISPR в растениях, поскольку Agrobacterium часто используется для доставки компонентов CRISPR-Cas9 в клетку.
«Надеюсь, ученые-растениеводы посмотрят на это и скажут: "Возможно, нам стоит больше думать об оптимизации этих систем"», — говорит Шарзанович.
Ши отмечает потенциал метода для работы с грибами, которые важны для фармацевтической промышленности и производства биоматериалов.