Генетическая модификация улучшает такие характеристики сельскохозяйственных культур, как урожайность, питание, устойчивость к вредителям и жизнестойкость, внося значительный вклад в глобальную продовольственную безопасность. Однако в то время как система CRISPR-Cas позволяет быстро и точно модифицировать геном по сравнению с традиционной селекцией растений, остаются значительные проблемы с доставкой генетического материала в клетки растений и регенерацией трансформированных тканей. Но, похоже, проблема решена.
Инфекция, опосредованная агробактериями, и биологическая доставка являются основными методами трансформации растений.
Агробактериально-опосредованная трансформация обеспечивает высокую эффективность и пропускную способность, а также надежно генерирует события вставки ДНК в одну копию. Однако узкий диапазон хозяев ограничивает его использование для преобразования неподатливых культур, а его зависимость от доставки ДНК может привести к нецелевым эффектам.
Напротив, доставка реагентов CRISPR на основе ДНК, таких как РНК или рибонуклеопротеины, сводит к минимуму побочные эффекты и позволяет получить отредактированные растения, не содержащие трансгенов, которые крайне желательны для селекции растений и получения одобрения регулирующих органов
Биолистическая доставка, или бомбардировка частицами, дополняет трансформацию, опосредованную агробактериями, позволяя доставлять практически любой биологический груз практически любому виду растений или типу тканей. Биолистика становится особенно ценной для трансформации типов тканей или видов, устойчивых к агробактериальной инфекции. Тем не менее, биологическая доставка сталкивается с заметными проблемами эффективности, консистенции и повреждения тканей, вызванных высокоскоростными микроснарядами, которые препятствуют регенерации и трансформации. Кроме того, это часто приводит к фрагментированным и множественным вставкам трансгенов в геном, что приводит к непредсказуемой экспрессии генов.
С 1988 года ученые-биологи используют стандартную «генную пушку» для генетической модификации сельскохозяйственных культур с целью повышения урожайности, питательности, устойчивости к вредителям и других ценных качеств. Эта технология, которая загружает генетический материал в крошечные частицы и использует высокое давление для их внедрения в растительные клетки, создала проблемы для ученых-ботаников, включая неэффективность, непоследовательность и даже повреждение тканей, вызванное высокоскоростными частицами.
Но именно так проходили эти эксперименты. «Мы даже не знали, что у нас возникла проблема», - сказал Кан Ван, агроном из Университета штата Айова и почетный профессор сельского хозяйства и наук о жизни имени Чарльза Ф. Кертисса.
Шан Цзян, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Айова, задался вопросом, может ли его исследовательская группа что-то сделать для улучшения этого базового инструмента исследования растений. В конечном итоге он и группа пришли к выводу, что ученые-растениеводы «стреляли пулей без ствола» в течение 40 лет.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, подробно описывается поиск решения исследовательской группой, ее последующие выводы и изобретение, которое положило начало стартапу.
Однако проект был больше, чем решением одной инженерной проблемы. Цзян, благодаря своему исследовательскому резюме, действительно хотел использовать свой инженерный подход для улучшения науки о растениях и, возможно, человеческих жизней.
Получив докторскую степень в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне, он начал работать научным сотрудником в лаборатории Лангера Массачусетского технологического института: лаборатории Роберта Лангера, который до августа прошлого года был членом совета директоров Moderna, Inc., лидера в создании лекарств на основе мРНК, включая вакцины от COVID-19.
Цзян был одним из 15 постдокторантов, работавших над новыми идеями по доставке генетических материалов для медицинской терапии. «Это было очень сложное исследование», - сказал он, но одним из результатов, даже после прекращения финансирования исследований, стало использование информационной РНК для производства белков, которые могли бы помочь организму бороться с болезнями.
«Это исследование оказало глубокое влияние на мою жизнь. Когда я прибыл в Университет штата Айова, я задумался о том, чем хочу заниматься», - вспоминает ученый.
Но не было исследовательской больницы, а возможности для медицинской научной работы ограничены. Цзян поискал в научной литературе и прочитал о доставке ДНК и РНК в растительные клетки для внедрения или усиления определенных признаков, включая высокую урожайность, устойчивость к насекомым или переносимость жары.
Он снял трубку и позвонил инженеру-материаловеду Кан Вану, после чего ученые встретились и поговорили о проблемах исследований в области растениеводства, в частности о проблеме доставки генетических материалов через прочные клеточные стенки растений.
«Это была такая недооцененная область. Очень мало ученых-материаловедов работали над доставкой РНК в растительные клетки. Сельское хозяйство всегда недооценивают - люди хотят вылечить рак», - говорит Цзян.
«Генная пушка», существующая уже несколько десятилетий и используемая учеными-ботаниками для так называемой «биолистической» доставки генетической информации, работает следующим образом: микрочастицы золота или вольфрама размером всего в несколько миллионных долей метра покрываются генетическим материалом, а затем выстреливаются частицами и грузами в клетки растений.
Некоторые из этих клеток переживают бомбардировку частицами, принимают введенную ДНК и выражают соответствующие признаки. Затем из трансформированных клеток можно выращивать целые растения.
«Однако биолистическая доставка сталкивается с существенными трудностями в плане эффективности, последовательности и повреждения тканей, вызванного высокоскоростными микроснарядами, которые препятствуют регенерации и трансформации, а также наблюдаются различные нежелательные побочные эффекты», - отметили Цзян и соавторы в своей статье о проекте.
Цзян и его коллеги-исследователи искали решения в течение многих лет. В последнем рывке к решению исследовательская группа провела вычислительные гидродинамические модели потоков частиц генной пушки и обнаружила узкое место во внутреннем стволе. Оно казалось слишком узким и ограничивающим, что приводило к потере частиц, нарушению потока, снижению давления, более медленным скоростям и неравномерному распределению в целевых клетках.
«Эти результаты выявили критические ограничения в конструкции генной пушки и привели нас к гипотезе, что проектирование динамики потока внутри генной пушки может значительно повысить ее эффективность и согласованность», - пишут Цзян и его коллеги.
Для этого исследователи разработали новый внутренний ствол для генной пушки — они назвали его «стволом направления потока», а Коннор Торп, аспирант и любитель 3D-печати, напечатал его для испытаний.
«Это повысило производительность на 50%, а затем в два, три, пять, десять, двадцать раз. Я был очень шокирован, если честно», - сказал Цзян.
Более легкие трансформации растений
Компьютерное моделирование показывает, что обычная генная пушка направляет около 21% заряженных частиц к своим целевым клеткам растений, в то время как генная пушка, модифицированная с помощью ствола Flow Guiding Barrel, обеспечивает почти 100%.
Последующие испытания, проведенные учеными-биологами, выявили, например, 22-кратное увеличение эффективности транзиторной трансфекции в опытах с луком, 17-кратное улучшение эффективности вирусного заражения для трансформации проростков кукурузы и двукратное увеличение эффективности экспериментов с использованием инструментов редактирования генома CRISPR на пшенице.
«Ни одно предыдущее устройство не достигало таких улучшений, предлагая существенный потенциал для продвижения генотип-независимой трансформации и редактирования генома растений», - пишут соавторы статьи.
Ван, ученый-агроном из Университета штата Айова, к которому Цзян изначально обратился, отметил лабораторные «улучшения в 10, а иногда и в 20 раз. Мы можем работать гораздо эффективнее».
Ипин Ци, профессор ботанических наук и ландшафтной архитектуры в Университете Мэриленда и соавтор проекта, сказал, что Flow Guiding Barrel «упростит трансформацию растений и редактирование генома, повысив эффективность».
Например, по его словам, в ходе одного из испытаний направляющий ствол потока позволил реагентам CRISPR проникнуть глубже в апикальную меристему побега мягкой пшеницы — часть растения, где происходит образование клеток и листьев: «Это привело к повышению эффективности наследуемого редактирования генома в следующем поколении пшеницы. Хотя эта демонстрация была проведена на пшенице, можно предположить, что такое улучшение может принести пользу и другим культурам, таким как ячмень, сорго и т. д.».
Цзян заявил, что благодаря повышению эффективности в 10 и 20 раз система Flow Guiding Barrel может сэкономить ученым-растениеводам и сельскохозяйственным компаниям миллионы долларов за счет экономии времени и оборота растений или продукции.
«Это небольшое устройство, и оно кажется слишком простым. Но преимущества, которые оно может принести, неоценимы. Оно позволяет разрабатывать более безопасные и эффективные стратегии для улучшения сельскохозяйственных культур, которые могут лучше выдерживать изменения окружающей среды, повышать содержание питательных веществ и способствовать устойчивому производству энергии», заключил он.
Источник: Iowa State University. Автор: Майк Крапфл.
На фото - инженеры Iowa State, слева направо, Коннор Торп и Шан Цзян помогли изобрести «Flow Guiding Barrel», который улучшает работу генной пушки для генетической модификации растений. Цзян держит Flow Guiding Barrel. Генная пушка слева. Автор фото: Райан Райли / Инженерный колледж Iowa State University.
DOI: 10.1038/s41467-025-60761-x