Ученые из Национальной лаборатории Оук-Ридж, ORNL, разработали первый в истории метод обнаружения рибонуклеиновой кислоты, или РНК, внутри растительных клеток с использованием технологии, которая приводит к видимому флуоресцентному сигналу.
Технология может помочь исследователям обнаруживать и отслеживать изменения в РНК и экспрессии генов в режиме реального времени, предоставляя мощный инструмент для разработки более выносливых биоэнергетических и продовольственных культур, а также для обнаружения нежелательных модификаций растений, патогенов и вредителей.
РНК - это сигнальная молекула внутри клеток, которая используется для считывания дезоксирибонуклеинового или ДНК-кода и преобразования его в функциональные части, такие как белки, которые необходимы для роста растений и реакции на стресс. Разработанный в ORNL биосенсор непрерывно отслеживает уровни РНК в живых растениях, заменяя традиционный разрушительный, трудоемкий метод, используемый учеными для сбора, обработки и анализа тканей.
«С помощью этого биосенсора ученые получают в режиме реального времени информацию о том, как клетки перепрограммируют себя на молекулярном уровне в условиях изменения окружающей среды, таких как засуха или болезнь», - сказал Сяохань Ян, руководитель этого проекта в ORNL. Подход оптимизирует традиционные методы, используемые для проверки экспрессии генов в модифицированных растениях, и может лучше определять физиологию растений, связанную с болезнью или нехваткой питательных веществ, ускоряя селекцию лучших культур.
Биосенсор включает в себя расщепление рибозима, молекулы РНК, которая может действовать как фермент для катализа сплайсинга РНК внутри клетки, на две неактивные части. Затем ученые из ORNL присоединили части рибозима, чтобы направлять последовательности РНК, предназначенные для связывания с определенной мишенью РНК внутри растительной клетки.
Когда направляющая РНК находит свою цель, два фрагмента рибозима воссоединяются и становятся активными. Это запускает сборку репортерного белка, который производит видимую флуоресценцию, показывающую местоположение и распространенность РНК в растении. Выводы команды подробно описаны в журнале Plant Biotechnology Journal.
Ученые успешно продемонстрировали, как биосенсор работает для обнаружения вируса, заражающего растение табака. При использовании в другом модельном растении, Arabidopsis (резуховидка Таля), биосенсор показал, как гены включаются и выключаются внутри клеток. Система может обнаруживать активность генов в разных масштабах, от отдельных клеток до уровня тканей по всему растению, включая листья, корни, цветы и стебли.
«Исследователям полезно иметь возможность видеть, когда и где растение начинает перепрограммироваться в ответ на такие условия, как засуха. Затем мы можем войти и точно измерить, что происходит на молекулярном уровне. С помощью таких инструментов мы можем достичь более полного понимания того, что происходит на клеточном уровне и как это транслируется по метаболическим путям по всему растению», - сказал Пол Абрахам, соавтор, биоаналитический химик и менеджер Научного направления по проектированию и разработке безопасных экосистем Министерства энергетики США (SEED SFA), возглавляемого ORNL.
Обеспечение мониторинга в режиме реального времени и новые сорта сельскохозяйственных культур
«Биосенсор способствует развитию науки о растениях несколькими способами. Его универсальность простирается от фундаментальной научной перспективы выполнения более эффективной функциональной геномики до практического использования в качестве инструмента для скрининга производительности растений с целью раннего обнаружения патогенов или других реакций на стресс, даже до того, как эти воздействия приведут к внешним изменениям растения», - сказал Джерри Тускан, соавтор и директор Центра биоэнергетических инноваций Министерства энергетики США, возглавляемого ORNL.
Ученые-биологи и синтетические биологи ORNL добились многочисленных прорывов в трансформации растений, включая открытие генов, придающих устойчивость к засухе и значительно усиливающих рост растений, разработку биосенсоров для обнаружения редактирования генов CRISPR и технологию укладки генов для ускорения разработки новых сортов растений. Эта работа направлена на инновации для отечественных, доступных видов биотоплива, химикатов и материалов и продолжает долгую историю биологических и генетических исследований ORNL.
«Открытие матричной РНК началось в 1950-х годах в результате работы биологов и химиков ORNL с использованием методов, разработанных в ходе нашей работы над Манхэттенским проектом. Сегодня мы продолжаем внедрять инновации в области молекулярной биологии. Этот новый метод биосенсорики, разработанный нашими учеными, позволяет отслеживать изменения в РНК, что позволяет получать более качественные урожаи как для получения энергии, так и для обеспечения продовольствия», - сказал Пол Ланган, заместитель директора лаборатории Управления биологических и экологических систем в ORNL.
Источник: ORNL. Автор: Стефани Сей. Фото: Philip Gray/ORNL, U.S. Dept. of Energy.
