Первый генетический «переключатель» для растений открывает путь к умному сельскому хозяйству

Исследователи из Университета штата Колорадо разработали инструмент, позволяющий по желанию включать или выключать ключевые генетические признаки растения. Прорывная работа, недавно опубликованная в ACS Synthetic Biology, представляет собой первый случай использования синтетического генетического «переключателя» в полноценном растении.

Синтетические биологи создают новые сегменты ДНК, которые можно встраивать в живые организмы, где они работают подобно электронным схемам. Как выключатель включает или выключает лампочку в электрической цепи, так и «переключатель» команды включает и выключает гены при подаче внешнего сигнала. До сих пор генетический переключатель использовался только в одноклеточных организмах, таких как бактерии. Работу в CSU возглавляют профессора Джун Медфорд (кафедра биологии) и Ашок Прасад (кафедра химического и биологического машиностроения).

Медфорд отметила, что это междисциплинарное исследование имеет множество практических применений, особенно в сельском хозяйстве, где, например, переключатель можно использовать для более точного контроля времени созревания плодов.

Она добавила, что в конечном итоге с помощью этого инструмента можно регулировать любое количество признаков. Сложность заключается во встраивании его в полностью развитые живые организмы.

«Многоклеточная природа растения — его корни, ткани, вегетативные и репродуктивные органы — представляет собой сложную задачу, которую мы наконец смогли преодолеть», — сказала она. — «Эта работа — многообещающий первый шаг к программированию растений для выполнения всех sorts of полезных вещей, которые раньше были невозможны».

В статье описана работа команды по синтезу соответствующих растительных частей ДНК, а затем проектированию потенциальной генетической системы «переключателя» вокруг двух ключевых генов с использованием математического моделирования. Этот подход помог команде комбинировать возможные сочетания на компьютере, пока они не нашли эффективную комбинацию. После этого команда начала трансформировать растения выбранными последовательностями ДНК и отслеживала результаты в течение 12-дневного периода, чтобы количественно оценить изменения.

Медфорд отметила, что путь к доказательству концепции, представленному в статье, был долгим и итеративным.

«Как биологи, мы очень хорошо понимаем биологию и сотрудничаем с такими специалистами, как профессор Прасад и его команда, которые являются экспертами в разработке алгоритмов — это позволяет нам находить ключевые сигналы среди шума», — сказала Медфорд.

«Этот проект — настоящий союз количественных исследований и математического моделирования для предсказуемого конструирования способностей растений для любых нужд. Наша работа также открывает возможность того, что в будущем подобное проектирование генетических схем может быть автоматизировано с помощью машинного обучения, ускоряя процесс».

Примечательно, что исследование показывает, что эти схемы функционируют во всем растении и могут использоваться для регуляции побегов и клеток на разных этапах жизненного цикла. Прасад отметил, что это означает, что такие переключатели можно использовать для активации различных функций растений в интересах продовольственной безопасности или разработки материалов.

«В условиях непредсказуемого и нетипичного климата фермеры могли бы контролировать состояние своих культур, «включая» переключатель, который способствует засухоустойчивости, или тот, который помогает таким растениям, как тыквы, расти раньше в сезон, сохраняя при этом размер и питательность», — сказал Прасад. — «Применения этого прорыва для человечества и окружающей среды практически бесконечны».