К митохондриальным растительным клеточным фабрикам

Исследователи под руководством Джо-Анн Чуа и Кейдзи Нумата из Центра устойчивой ресурсной науки RIKEN разработали новую стратегию для избирательной доставки генов в митохондрии растительных клеток. В работе, опубликованной в Scientific Reports, используется простая комбинация клеточно-проникающих и митохондриально-таргетных пептидов. Исследование, проведенное совместно с Университетом Кейо и Университетом Уцуномия, закладывает основу для рационального дизайна пептидных носителей генов и может создать новую область «митохондриальной инженерии». Это позволит создавать митохондриальные растительные клеточные фабрики для производства биополимеров и биотоплива.

Растительные клетки — потенциальные хозяева для массового производства лекарственных соединений, рекомбинантных белков, ароматизаторов, отдушек и красителей, которые нельзя получить с помощью микробных клеток или химического синтеза. Однако клетки необходимо модифицировать, чтобы превратить их в фабрики. Ранее усилия были сосредоточены на модификации генов в ядре растения, но команда RIKEN решила сфокусироваться на митохондриях — энергетических фабриках, играющих фундаментальную роль в метаболизме растений. Это может открыть новые пути для изучения и управления важными физиологическими и биохимическими процессами.

Однако модификация митохондрий, которые малы, имеют двойную мембрану и присутствуют в клетках в большом количестве, оказалась сложной задачей. До сих пор этого не удавалось достичь ни для одного живого сосудистого растения. Группа доктора Нумата сосредоточилась на пептидах — высокоэффективных и универсальных переносчиках, способных проходить через мембраны, — чтобы попытаться доставить внешнюю ДНК в митохондрии растительных клеток. Ранее они наблюдали отличную специфичность пептидной доставки генов к опухолевым клеткам у животных и решили разработать пептидный носитель для доставки генов именно в митохондрии растений.

Команда начала с идентификации митохондриально-таргетного компонента, полученного из дрожжевой оксидазы, и взялась за разработку метода целевой доставки генов в митохондрии. Комплекс из этого компонента и плазмиды (часто используемой для генетической модификации), кодирующей детектируемый фермент Renilla luciferase, инфильтровали в листья модельного растения Arabidopsis thaliana.

Хотя эти усилия были частично успешными, доля трансфицированных митохондрий оказалась не очень высокой. Команда опробовала новую стратегию, используя суммарный отрицательный поверхностный заряд комплекса, и применила клеточно-проникающий пептид вместе с митохондриально-таргетным. Это значительно улучшило эффективность носителя плазмиды. Низких концентраций пептидов было достаточно для доставки ДНК в митохондрии, а экспрессия импортированной ДНК достигла детектируемого уровня уже через короткий период инкубации — всего 12 часов.

По словам Чуа: «Нам удалось показать трансфекцию интактных митохондрий растений, и теперь мы с нетерпением ждем разработки более эффективных и стабильных стратегий трансформации».

Нумата, руководитель исследовательской группы по ферментам в RIKEN, заявил: «Мы будем работать над созданием пептидной библиотеки с модифицированными последовательностями для получения более совершенных пептидов. Это позволит применять различные стратегии отбора и скрининга к другим клеткам, таким как хлоропласты, другим растениям, включая сельскохозяйственные культуры, и даже к митохондриям животных. Это потенциально даст нам возможность создать новую мощную технологию генной инженерии и переопределить границы биологических исследований. Использование таких фабрик для производства, например, биопластиков было бы захватывающим достижением».