Исследователи из MIT ввели чужеродные гены непосредственно в хлоропласт растений с помощью наночастиц

Сотрудники Массачусетского технологического института (MIT) смогли распылить крошечные наночастицы, содержащие чужеродные гены, в хлоропласты растительных клеток. Этот инновационный метод считается более простым и менее рискованным способом генетической модификации растений, в отличие от устоявшихся генных инструментов, которые могут быть дорогими и неудобными.

Группа исследователей во главе с профессором Майклом Страно (Michael Strano) впервые пришла к мысли о том, что они могут проникать через мембраны растительных клеток с помощью наночастиц еще несколько лет назад. Тогда они обнаружили, что при нужном размере и электрическом заряде наночастиц возможно проникновение сквозь мембрану растительной клетки посредством механизма, называемого проникновением через липидную обменную оболочку (lipid exchange envelope penetration, LEEP).

Ранее Страно и его коллеги использовали этот метод, чтобы заставить растения расти путем встраивания люциферазы, светоизлучающего белка, в листья растения. Но могут ли гены имплантироваться таким же образом? Именно на этот вопрос отвечают специалисты в своей последней работе, результаты которой опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Хлоропласты — это маленькие органеллы внутри клеток растений и водорослей, где сахар превращается в топливо в процессе фотосинтеза. Эти крошечные органеллы содержат около 80 генов, которые кодируют белки, участвующие в фотосинтезе. Ученые ранее манипулировали генами внутри хлоропластов, используя технику высокого давления, которая известна как генная пушка (gene gun), однако, по их словам, это может привести к повреждению растения, а потому само по себе не очень эффективно.

Сначала ученые создали наночастицы, состоящие из углеродных нанотрубок, завернутых в хитозан, после чего добавили ДНК, отрицательный заряд которой позволяет ей легко связываться с положительно заряженными нанотрубками. Затем исследователи безыгольным шприцем распылили раствор наночастиц на листья. Частицы проникли внутрь через крошечные поры, называемые устьицами, которые обычно отвечают за испарение воды. Наночастицы прошли через мембрану клетки, в итоге проникнув через двойные мембраны хлоропластов. Оказавшись внутри, менее кислая среда хлоропласта заставила ДНК отделиться от наночастиц, освободив ее тем самым для производства белков.

В качестве демонстрации специалисты использовали эту технику для доставки гена, который кодирует желтый флуоресцентный белок: так было легче всего визуализировать эффективность новой методики. В результате они обнаружили, что 47 процентов растительных клеток действительно светятся желтым — это доказывало, что ДНК, продуцирующая белок, была успешно доставлена в хлоропласт. Исследователи опробовали свою технику и на других растениях, в том числе шпинате, водяном крессе, табаке, рукколе и резуховидке Таля: оказалось, этот способ применим практически для любого вида растений, включая продовольственные культуры. Более того, различные виды наноматериалов, помимо углеродных нанотрубок, должны быть не менее эффективны для получения аналогичных результатов.