Роботизированная биофабрика ускоряет инженерию растений для повышения производства масла
Рост населения и экстремальные погодные условия требуют быстрого создания более устойчивых и продуктивных сельскохозяйственных культур. Традиционная селекция занимает годы, в то время как биоинженерия растений предлагает более быстрый и точный путь, но он требует много времени и труда.
Команда Центра инноваций в области передовой биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) совершила прорыв, использовав биофабрику — лабораторию, объединяющую робототехнику, компьютерное проектирование и информатику — для генетической инженерии растений и повышения производства масла в растительных клетках и целых растениях.
Этот быстрый, автоматизированный, масштабируемый и высокопроизводительный конвейер для биоинженерии растений, названный FAST-PB, может ускорить работу в области синтетической биологии растений, редактирования генома и метаболической инженерии.
"Если мы сможем использовать роботов для биоинженерии растений, это изменит правила игры. Автоматизация трансформации растений позволит нам быстрее разрабатывать лучшие биоэнергетические культуры", — сказал со-руководитель CABBI Мэтью Хадсон.
Исследование, опубликованное в The Plant Cell, было проведено учеными CABBI из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне в сотрудничестве с исследователями из Университета Небраски-Линкольна и Брукхейвенской национальной лаборатории.
Цель и подход
Команда сосредоточилась на повышении производства вегетативных липидов в растениях — перспективном пути увеличения мирового производства растительного масла без расширения посевных площадей. Создание многогенных конструктов для этого было узким местом.
Для его преодоления использовалась Иллинойсская биологическая фабрика для передового биопроизводства (iBioFAB). Её объединили с одноклеточной метаболомикой для редактирования генома растений и характеристики клеточных эффектов — такой подход применен впервые.
Автоматизированные процессы
Ученые создали три автоматизированных процесса с помощью роботов биофабрики:
- Автоматизация выделения протопластов и редактирования генов для быстрого изучения функций генов в растительных клетках без клеточных стенок.
- Автоматизация культуры растительных тканей для повышения производства липидов и получения целых генетически модифицированных растений. Результаты показали значительное увеличение количества и размера масляных капель.
- Комбинация автоматизированной биофабрики с методом масс-спектрометрии одиночных клеток (MALDI-MS) и ИИ-анализом данных для эффективного различения отредактированных и неотредактированных клеток по их химическому "отпечатку".
"Профилирование химических различий между отдельными растительными клетками позволяет нам измерять желаемые характеристики, такие как производство липидов, без мешающего влияния при работе с популяциями клеток", — сказал со-руководитель Джонатан Свидлер.
Значение
FAST-PB революционизирует биоинженерию растений, интегрируя автоматизацию, синтетическую биологию и одноклеточную липидомику, что резко ускоряет редактирование генома и метаболическую инженерию.
"Наша работа — крупный шаг в биоинженерии растений, сокращающий трудозатраты, время и стоимость, ускоряя открытия в геномике и синтетической биологии растений", — сказал ведущий автор Цзя Дун.
Это ускоряет создание растений, производящих больше пищи и биоэнергии, что способствует решению проблем продовольственной и энергетической безопасности, снижению зависимости от импортного топлива и созданию более прибыльной сельскохозяйственной системы.
Исследование поддерживает цель CABBI по улучшению растительных биотоплив за счет более быстрых и эффективных модификаций ключевых метаболических путей.