Inżynieria roślin z użyciem mikroprzepływowych wtrysków strumieniowych
Wyżywienie stale zwiększającej się liczby ludności na świecie wymaga upraw, które są bardziej odporne i lepiej przystosowane do zmian klimatu, dzięki czemu zapewniają większe plony. Jednak dalszy rozwój hodowli roślin utrudniają przestarzałe metody, które są powolne, ograniczone gatunkowo i nieefektywne. W obliczu zmian klimatycznych, narastającej presji patogenów oraz spadku plonów istnieje pilna potrzeba opracowania narzędzi umożliwiających szybkie i bezpieczne dostarczanie materiału genetycznego do tkanek roślinnych.
Pokonywanie barier transformacji DNA
Tradycyjne metody transformacji cechują się niską wydajnością, ograniczoną zgodnością gatunkową oraz obniżoną przeżywalnością komórek. Transfer z udziałem Agrobacterium(odnośnik otworzy się w nowym oknie) polega na dostarczaniu nowych genów przez bakterie, jednak jest procesem pracochłonnym i skutecznym jedynie w przypadku wybranych gatunków. Metody wykorzystujące protoplasty(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wymagają usunięcia ściany komórkowej w celu pobrania DNA, lecz uzyskane komórki są kruche i często nie regenerują się w pełni funkcjonalne rośliny. Z kolei metoda armatki genowej(odnośnik otworzy się w nowym oknie), która polega na bombardowaniu tkanki cząsteczkami pokrytymi DNA, mimo szerokiego zastosowania prowadzi do znacznych uszkodzeń komórek i charakteryzuje się niską efektywnością transformacji. Finansowany przez ERBN projekt Plant-a-Jet miał na celu przezwyciężenie tego wąskiego gardła poprzez opracowanie nowej platformy strumieniowej, zaprojektowanej do precyzyjnego i bezpośredniego dostarczania materiału genetycznego do komórek roślinnych. Zespół uznał edytowanie genomu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) za obiecującą alternatywę dla tradycyjnej inżynierii roślin. Podejście to wykorzystuje ukierunkowane narzędzia molekularne do precyzyjnej zmiany określonych sekwencji DNA, umożliwiając tym samym kontrolowaną i przewidywalną modyfikację genetyczną.
Armatka „BuBble Gun”
Głównym elementem projektu jest armatka „BuBble Gun” – urządzenie generujące ultraszybkie strumienie cieczy wewnątrz mikroukładu, które zostało opracowane w ramach wcześniejszego, finansowanego przez UE projektu BuBble Gun(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W rozwiązaniu tym wykorzystuje się impuls laserowy, który krótko podgrzewa ciecz, tworząc mikropęcherzyk napędzający strumień do przodu. Strumień ten transportuje DNA lub białka edytujące genom do tkanek roślinnych, wykorzystując mikroskopijne cząsteczki, które czasowo zwiększają przepuszczalność ściany komórkowej. „Nasza metoda działa w normalnych warunkach laboratoryjnych, powoduje minimalne uszkodzenia i może być skalowana dzięki jednoczesnemu wykorzystaniu wielu dysz”, podkreśla koordynator projektu David Fernandez Rivas. Ten delikatny, ale potężny mechanizm transportu stanowi ulepszenie technologii tradycyjnej armatki genowej, która wymaga użycia nieporęcznego sprzętu. Armatka „BuBble Gun” zachowuje integralność komórek i ułatwia precyzyjne celowanie, co ma kluczowe znaczenie dla zastosowań związanych z edycją genomu.
Demonstracje potwierdzające słuszność koncepcji
Ściana komórkowa roślin pozostaje jedną z największych przeszkód w biotechnologii roślin. Zamiast polegać na jednej strategii, zespół łączy mechaniczną penetrację strumieniem rozpuszczalnika z zastosowaniem chemicznych czynników wspomagających, które czasowo osłabiają strukturę ściany komórkowej. To podwójne podejście zwiększa prawdopodobieństwo skutecznego przejścia przez ścianę komórkową przy jednoczesnym zachowaniu żywotności tkanek. Dodatkowo, umożliwia ono transformację opornych gatunków, wcześniej niedostępnych dla standardowych metod. Wstępne eksperymenty pokazują, że armatka „BuBble Gun” może dostarczać ładunki genetyczne szybko i z niezwykłą precyzją. Co ważne, ładunek dociera do celu bez uszkodzeń. Odkrycia te dostarczają przekonujących dowodów, że platforma może umożliwiać edycję genomu bezpośrednio w merystemach roślin bez użycia DNA, potencjalnie eliminując długotrwałe etapy regeneracji wymagane przez dotychczasowe technologie.
Następne kroki
Obecnie zespół projektu skupia się na potwierdzeniu skuteczności platformy w wybranych gatunkach upraw o wysokiej wartości, w tym w tych, które uchodzą za wyjątkowo oporne na transformację genetyczną. Jednocześnie trwają prace nad poprawą przepustowości, precyzji i udoskonaleniem projektu mikrostrumienia, z myślą o jego wdrożeniu w skali przemysłowej. Potencjalny wpływ projektu Plant-a-Jet jest wieloraki, ale przede wszystkim oferuje on możliwości szybszej, bardziej dostępnej i wysokoprzepustowej edycji genomu. „Nasze podejście może pomóc przyspieszyć rozwój ulepszonych upraw i nowoczesnych strategii hodowli roślin odpornych na zmiany klimatu”, podsumowuje Fernandez Rivas.
