Badanie tajników metabolizmu topoli
Topola jest bez wątpienia popularnym drzewem. Jest jednym z kluczowych drzew hodowlanych wykorzystywanych w celu produkcji drewna, organizmem modelowym na potrzeby badań molekularnych, a także obiecującym źródłem biomasy dla przyszłych biorafinerii (co badał projekt PHYSIO-POP). „Wielu badaczy pracuje nad topolą, aby zrozumieć procesy wykształcone przez drzewa, takie jak formowanie drewna”, wyjaśnia Wout Boerjan(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesor zwyczajny Uniwersytetu w Gandawie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i główny badacz w Ośrodka Biologii Systemów Roślinnych VIB(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Im więcej informacji posiadamy na temat danego organizmu modelowego, tym szybciej możemy zebrać nowe informacje. To z kolei przyspiesza nowe odkrycia”, wyjaśnia. Choć znamy już wiele metabolitów topoli, wiele wciąż czeka na odkrycie. Identyfikacja struktur metabolitów i badanie szlaków ich biosyntezy oraz genów może potencjalnie przyczynić się do uzyskania lepszych drzew. „Lepsze drzewa to drzewa, których drewno jest łatwiejsze do przetworzenia na pulpę lub cukry fermentujące przy użyciu mniejszej ilości środków chemicznych oraz energii”, zauważa Boerjan. „Wykazaliśmy już, że ograniczenie ekspresji genów zaangażowanych w biosyntezę ligniny może znacząco poprawić wydajność przetwarzania drewna topolowego”. W ramach projektu POPMET(odnośnik otworzy się w nowym oknie), finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Boerjan i jego zespół zastosowali szereg technik w celu zbadania metabolitów i ich szlaków w drewnie, korze i liściach topoli. Badania przyniosły już szereg rezultatów. „Przeprowadziliśmy sekwencjonowanie genomów 750 czarnych topoli i opracowaliśmy profile metabolitów wszystkich tych drzew. Dzięki temu dysponujemy ogromną bazą danych związków i genów, które potencjalnie biorą udział w ich biosyntezie”, dodaje Boerjan. „Ta baza danych jest początkiem wielu odkryć i wniosków o dotacje”.
Ekstrakcja i analiza metabolitów topoli
W ramach projektu zespół w pierwszej kolejności wyekstrahował metabolity z liści topoli. Następnie naukowcy zastosowali technikę chromatografii cieczowej z tandemową spektrometrią mas (UHPLC-MS), aby rozdzielić tysiące związków i przewidzieć, które z nich są do siebie strukturalnie podobne. Następnie badacze opracowali sieci strukturalnie powiązanych metabolitów, które stanowią wstępne ścieżki biosyntezy. Aby odkryć geny kodujące enzymy w tych domniemanych ścieżkach, zespół porównał naturalną zmienność liczebności danego metabolitu ze zmiennością sekwencji DNA w populacji 750 genetycznie zróżnicowanych topoli. To pozwoliło na skuteczną identyfikację genów istotnych dla biosyntezy. Na koniec, aby dowieść, że odkryte geny kodują enzymy biorące udział w produkcji kluczowych związków, badacze wykorzystali bakterie Escherichia coli w celu wytworzenia odpowiednich enzymów do testów enzymatycznych, a następnie w topolach przeprowadza się edycję genów metodą CRISPR-Cas, aby wyłączyć określone geny. Kolejnym krokiem było sprawdzenie, czy dany związek chemiczny nadal powstaje.
Poza szlakami metabolicznymi
„Topola jest bardzo łatwą do krzyżowania rośliną, co pozwala na tworzenie szybko rosnących hybryd różnych gatunków. Ponadto jest podatna na inżynierię genetyczną i edycję genów”, mówi Boerjan. „Zespół zamierza zidentyfikować dodatkowe geny, które pozwolą na zaprojektowanie nowych metod zwiększania wydajności wytwarzania i jakości biomasy. Sekwencjonowaną populację drzew można też wykorzystać do pobrania genów odpowiedzialnych za wzrost wysokości i średnicy pnia lub na przykład za tolerancję na choroby i szkodniki.” Naukowcy będą kontynuować prace nad danymi zgromadzonymi w ramach projektu POPMET w ramach nowych grantów, aby zbadać setki genów powiązanych ze szlakami metabolicznymi odkrytymi w ramach prac. „Jeśli ktoś jest zainteresowany poznaniem biosyntezy konkretnego metabolitu topoli lub zbadaniem aktywności biologicznej metabolitu topoli, zapraszam do kontaktu”, dodaje Boerjan.
