פריצת דרך לעריכת גנים: טכניקה חדשה מגבירה את הפוטוסינתזה של היבול

חוקרים ממכון הגנומיקה החדשנית ב- אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי (UCB) הגדילו בהצלחה את ביטוי הגנים בגידול מזון על ידי שינוי הרגולציה שלו במעלה הזרם DNA. שלא כמו מחקרים קודמים שהשתמשו בעריכת גנים של CRISPR/Cas9 כדי לחסל או להפחית את ביטוי הגנים, מחקר חדש זה מייצג את הגישה הראשונה לעריכת גנים חסרת פניות לשיפור ביטוי הגנים ולהגברת הפעילות הפוטוסינתטית במורד הזרם.

"כלים כמו CRISPR/Cas9 מאיצים את היכולת שלנו לכוונן את ביטוי הגנים בגידולים, במקום רק לדפוק גנים או לכבות אותם. מחקרים קודמים הראו שניתן להשתמש בכלי זה כדי להפחית את הביטוי של גנים המעורבים בפשרות חשובות, כמו אלו שבין ארכיטקטורת הצמחים וגודל הפרי", אמר דרוב פאטל-טאפר, הכותב הראשי של המחקר וחוקר פוסט-דוקטורט לשעבר ב- מעבדת ניוגי ב-UCB. "זהו המחקר הראשון, למיטב ידיעתנו, שבו שאלנו אם אנחנו יכולים להשתמש באותה גישה כדי להגביר את הביטוי של גן ולשפר את הפעילות במורד הזרם בצורה לא משוחדת".

פורסם ב-Science Advancesהמחקר הוא חלק מפרויקט Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), מאמץ בינלאומי בראשות אוניברסיטת אילינוי המתמקד בהגדלת ייצור המזון העולמי באמצעות שיפור היעילות הפוטוסינתטית בגידולי מזון.

מינוף גנים טבעיים של צמחים

בניגוד לאסטרטגיות ביולוגיה סינתטית המשתמשות בגנים מאורגניזמים אחרים כדי להשתפר פוטוסינתזה, הגנים המעורבים בתהליך הגנת הפוטו נמצאים באופן טבעי בכל הצמחים. בהשראת 2018 תקשורת טבע נייר שהגביר את יעילות השימוש במים בגידולים באמצעות ביטוי יתר של אחד מהגנים הללו, PsbS, בצמחים, מעבדת ניוגי והמנהיג שלה קריס ניוגי, רצו להבין כיצד לשנות את הביטוי של הגנים המקומיים של הצמח מבלי להוסיף DNA זר. בהתחשב בעובדה שאורז הוא מזון עיקרי ויש לו רק עותק אחד של כל אחד משלושת הגנים המרכזיים להגנה על הפוטו, הוא נבחר כמועמד האידיאלי למחקר זה.

החוקרים השתמשו ב-CRISPR/Cas9 כדי לשנות את ה-DNA במעלה הזרם של גן המטרה, השולט כמה מהגן מבוטא ומתי. הם שאפו לגלות כיצד שינויים כאלה יכולים לשפר את הפעילות במורד הזרם.

תוצאות מפתיעות ממחקרי ביטוי גנים

תוצאות הניסויים שלהם עלו על הציפיות. "השינויים ב-DNA שהגדילו את ביטוי הגנים היו הרבה יותר גדולים ממה שציפינו וגדולים ממה שראינו באמת דווח בסיפורים דומים אחרים", אמר פאטל-טאפר, עמית AAAS למדיניות מדע וטכנולוגיה ב-USDA.

"היינו קצת מופתעים, אבל אני חושב שזה מראה כמה פלסטיות יש לצמחים וגידולים. הם רגילים לשינויים הגדולים האלה ב-DNA שלהם ממיליוני שנות אבולוציה ואלפי שנים של ביות. בתור ביולוגים צמחיים, אנחנו יכולים למנף את 'חדר ההתנועעות' הזה כדי לבצע שינויים גדולים תוך מספר שנים בלבד כדי לעזור לצמחים לצמוח בצורה יעילה יותר או להסתגל לשינויי האקלים", הוסיף.

השפעה ויעילות של שינויים בגנים

החוקרים למדו שהיפוכים, או "היפוך" של ה-DNA הרגולטורי, הביאו לביטוי גנטי מוגבר של PsbS. ייחודי לפרויקט זה, לאחר שההיפוך הגדול ביותר נעשה ל-DNA, חברי הצוות ערכו א RNA ניסוי רצף כדי להשוות כיצד הפעילות של כל הגנים בגנום האורז השתנתה עם ובלי השינויים שלהם. מה שהם מצאו היה מספר קטן מאוד של גנים בעלי ביטוי דיפרנציאלי, קטן בהרבה ממחקרי תעתיקים דומים, מה שמצביע על כך שהגישה שלהם לא פגעה בפעילות של תהליכים חיוניים אחרים.

פאטל-טאפר הוסיפה כי בעוד שהצוות הראה ששיטה זו אפשרית, היא עדיין נדירה יחסית. בסביבות 1% מהצמחים שהם יצרו היה הפנוטיפ הרצוי.

מסקנה והשלכות עתידיות

פאטל-טאפר הסבירה את השפעת המחקר: "הראינו כאן הוכחה לקונספציה, לפיה אנו יכולים להשתמש ב-CRISPR/Cas9 כדי ליצור גרסאות של גנים מרכזיים של יבול ולקבל את אותן קפיצות כמו בגישות גידול צמחים מסורתיות, אבל על תכונה מאוד ממוקדת שאנחנו רוצים להנדס ובטווח זמן הרבה יותר מהיר", אמר. "זה בהחלט קשה יותר משימוש בגישה של צמחים טרנסגניים, אבל על ידי שינוי משהו שכבר קיים, אולי נוכל להקדים בעיות רגולטוריות שיכולות להאט את המהירות שבה אנחנו מקבלים כלים כאלה לידי החקלאים".

פרויקט Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) מקבל תמיכה מקרן ביל ומלינדה גייטס, הקרן לחקר מזון וחקלאות, ומשרד החוץ, חבר העמים והפיתוח של בריטניה.