Vědci z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) udělali průlom v oblasti genetické transformace rostlin vývojem technologie „skládání genů“ (angl. gene stacking), která umožňuje vložení více genů do genomu rostlin v jediném kroku. Tato inovace představuje zásadní zlepšení tradičních metod, kde bylo nutné vkládat a ověřovat každý gen zvlášť, což je časově a zdrojově náročný postup. Techniku popsali v časopise Nature Communications Biology.

Metabolické inženýrství u rostlin spočívá v zavádění úplných nebo částečných syntetických drah do cílové rostliny s cílem vytvořit nové vlastnosti rostlin či produkce látek s přidanou hodnotou. Metody metabolického inženýrství a genové modifikace rostlin postupují rychlými kroky a stávají se zásadními nástroji moderních biotechnologií. Tyto metody mají potenciál přinést revoluční změny v udržitelném zemědělství, bioenergetice a medicíně.

Vědci z ORNL vytvořili novou metodu přenosu genů pomocí bílkovinných segmentů zvaných inteiny, které mají přirozenou schopnost oddělovat se od hostitelského proteinu a poté se opět spojovat a vytvářet bílkoviny nové. Výzkumníci použili inteiny k vytvoření systému dělených selektovatelných markerů (angl. split selectable marker system), kterým do rostlin současně vložili čtyři geny, včetně genů, které „označují“ nebo identifikují transformované buňky, podporují stabilitu konstruktu a umožňují detekci provedených úprav. Skládání genů bylo úspěšně demonstrováno a potvrzeno na tabáku, huseníčku rolním a topolu.

Komplexní vlastnosti, které výzkumníci u nových odrůd chtějí, jako jsou například rychlejší růst, vyšší výnos či odolnost vůči suchu, jsou často řízeny více geny. Tradiční genové inženýrství zahrnuje přidání jednoho genu a s ním spojeného biochemického aparátu do rostlin. Každá transformace pak vyžaduje vlastní potvrzovací test, který určí, zda je gen na správném místě a ve správné orientaci, aby kódoval zamýšlenou požadovanou vlastnost. Po prokázání, že vše funguje, se pak vezme upravený rostlinný materiál a transformuje se podruhé dalším genem, po ověření funkčnosti  pak třetím genem atd. To je složitý a časově náročný proces. Gene stacking nejen zvyšuje efektivitu vkládání genů, ale také umožňuje jednodušší zkoumání interakce mezi geny, což je klíčové pro odhalení komplexních vlastností rostlin.

Tento postup je velmi perspektivní, protože umožňuje vývoj nových nástrojů a strategií pro vícegenové inženýrství. Yang a jeho kolegové začali pracovat na vylepšení stávající techniky gene stacking, která by mohla umožnit vložit najednou 12 genů – 10 souvisejících s biologickými funkcemi topolu a dva markery. Podle Yanga je možné, že technika bude zdokonalena tak, aby podporovala vkládání až 20 genů.

Výzkumné týmy, které pracují na těchto projektech, jsou multidisciplinární. Spojení znalostí z genetiky, biochemie, molekulární biologie a inženýrství umožňuje hlubší pochopení toho, jak se geny a metabolické dráhy vzájemně ovlivňují. To je klíčové pro identifikaci a testování genů, které by mohly pozitivně ovlivnit vlastnosti, jako je složení biomasy, výnos, odolnost vůči stresovým faktorům nebo terapeutický potenciál.

„Postup je výsledkem dlouholetého výzkumu v Centru pro inovace v oblasti bioenergetiky (The Center for Bioenergy Innovation, CBI) zaměřeného na vytváření odolných bioenergetických surovin, které úspěšně rostou v suboptimálních podmínkách,“ uvedl vedoucí projektu v ORNL Xiaohan Yang. „Chceme u topolu získat vlastnosti, díky kterým bude ekonomicky výhodné strom pěstovat a zpracovávat na letecké palivo. Nová schopnost skládání genů je snadno implementovatelná do stávajících postupů pro transformace rostlin a zároveň umožňuje mnohem rychlejší získání výsledků,“ řekl Yang.

„Vzhledem k tomu, že se snažíme splnit cíl bezuhlíkového leteckého průmyslu do roku 2050 pomocí udržitelných paliv, jsou výzvy obrovské – z technického, ekonomického i biologického hlediska,“ uvedl Jerry Tuskan, výkonný ředitel CBI. „Možnost testovat více genů současně tento proces urychlí a zvýší pravděpodobnost, že se nám podaří dosáhnout národního cíle, kterým je do roku 2050 nahradit 100 % leteckého paliva na bázi ropy.“

S těmito technologiemi v ruce máme nyní efektivní prostředky pro rychlý vývoj nových geneticky modifikovaných rostlin, což otevírá široké možnosti v oblasti udržitelného zemědělství, bioenergetiky a medicíny. Tyto nástroje také podporují inovace v průmyslovém využití biotechnologií, od vývoje nových terapeutických léků až po výrobu vysoce efektivních biopaliv a zlepšení agrárních postupů. Tyto průlomové metody představují revoluční krok směrem k dosažení energetické nezávislosti a udržitelného zemědělství.

Výzkumní pracovníci ORNL (zleva Yang Liu, Xiaohan Yang a Torik Islam), kteří spolupracovali na vývoji nového systému pro rychlou a účinnou transformaci rostlin, který umožňuje vkládat více genů do transformované rostliny v jednom kroku. Kredit: Genevieve Martin/ORNL, U.S. Dept, of Energy

Zdroje:

• https://www.nature.com/articles/s42003-023-04950-8
• https://www.isaaa.org/kc/cropbiotechupdate/article/default.asp?ID=20231
• https://www.ornl.gov/news/new-approach-stacks-genes-faster-plant-transformation

Zdroj: BIOTRIN