Наночастицы доставляют гены в хлоропласты растений

Исследователи MIT разработали новый генетический инструмент, который может упростить создание растений, устойчивых к засухе или грибковым инфекциям. Их метод использует наночастицы для доставки генов в хлоропласты клеток растений и работает со многими видами, включая шпинат и другие овощи.

Эта стратегия может помочь преодолеть сложности генетической модификации растений — сейчас это трудоемкий процесс, требующий индивидуального подхода для каждого вида.

«Это универсальный механизм, работающий для разных видов растений», — говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии MIT.

Страно и Нам-Хай Чуа — старшие авторы исследования, опубликованного 25 февраля в Nature Nanotechnology.

«Это важный первый шаг к трансформации хлоропластов. Метод можно использовать для быстрого скрининга генов-кандидатов для экспрессии в хлоропластах у широкого спектра сельскохозяйственных растений», — отмечает Чуа.

Прицел на хлоропласты

Ранее команда Страно обнаружила, что, меняя размер и электрический заряд наночастиц, можно заставить их проникать через мембраны клеток растений. Этот механизм, названный lipid exchange envelope penetration (LEEP), позволил создать светящиеся растения, доставив в листья наночастицы с люциферазой.

Новый метод использует наночастицы из углеродных нанотрубок, обернутых хитозаном (природный сахар). Отрицательно заряженная ДНК слабо связывается с положительно заряженными нанотрубками. Раствор с частицами наносят на нижнюю сторону листа с помощью безыгольного шприца. Частицы проникают через устьица, затем через клеточную стенку, мембраны и двойную мембрану хлоропласта.

Менее кислая среда внутри хлоропласта высвобождает ДНК из наночастиц, после чего она может транслироваться в белки.

В этом исследовании ученые доставили ген желтого флуоресцентного белка. Его экспрессию наблюдали примерно в 47% клеток растений.

Более устойчивые растения

Метод протестировали на шпинате, кресс-салате, табаке, рукколе и Arabidopsis thaliana. Он не ограничен углеродными нанотрубками и может быть расширен на другие наноматериалы.

Это открывает возможности для:

• Создания овощей для плотной посадки в городских фермах.
• Выведения засухоустойчивых культур.
• Защиты бананов, цитрусовых и кофе от грибковых инфекций.
• Модификации риса для предотвращения поглощения мышьяка из грунтовых вод.

Важное преимущество: модифицированные гены находятся только в хлоропластах, которые наследуются по материнской линии. Они передаются потомству, но не могут распространиться на другие виды через пыльцу, что обеспечивает высокий уровень сдерживания генов.