اولین استفاده از «کریسپر» برای افزایش فتوسنتز

به نقل از آی‌ای، محققان مؤسسه ژنومیک نوآورانه دانشگاه کالیفرنیا برکلی(UCB) با تغییر دی‌ان‌ای تنظیم‌کننده بالادستی یک محصول غذایی بیان ژن آن محصول را افزایش داده‌اند.

این تلاش نشان‌دهنده انحراف از مطالعات قبلی با استفاده از تکنیک‌های ویرایش ژن کریسپر کس۹(CRISPR/Cas۹) برای حذف ژن‌ها یا کاهش بیان آنهاست.

به گفته محققان، این تحقیق اولین تلاش بی‌طرفانه برای افزایش بیان ژن و افزایش فعالیت فتوسنتزی است.

آزمایشگاه نیوگی(Niyogi) در دانشگاه کالیفرنیا برکلی این پژوهش را به عنوان بخشی از تحقق افزایش کارایی فتوسنتزی(RIPE)، یک ابتکار جهانی به رهبری دانشگاه ایلینوی دنبال کرد که در تلاش برای افزایش تولید غذا با افزایش فتوسنتز محصولات کشاورزی است.

تلاش برای اصلاح طبیعی ژن

کریسپر کَس۹ ابزاری است که متخصصان ژنتیک و پزشکان را قادر می‌سازد تا مواد ژنتیکی را به طور دقیق ویرایش کنند. این فناوری از طریق مداخلات هدفمند، امکان حذف، افزودن یا تغییر بخش‌های خاص در توالی دی‌ان‌ای را فراهم می‌کند و زمینه دستکاری ژنتیکی را متحول می‌کند.

دکتر دورو پاتل توپر نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: تحقیقات گذشته نشان داده است که این ابزار می‌تواند برای کاهش بیان ژن‌های دخیل در مبادلات مهم مانند مواردی که بین معماری گیاه و اندازه میوه نقش دارند، استفاده شود.

برخلاف تکنیک‌های زیست‌شناسی مصنوعی که از ژن‌های دیگر اشکال زنده برای افزایش فتوسنتز استفاده می‌کنند، همه گیاهان به طور طبیعی دارای ژن‌هایی هستند که مسئول محافظت از نور هستند.

با توجه به تحقیقات قبلی در سال ۲۰۱۸ در مورد اینکه چگونه بیان بیش از حد یکی از این ژنها به نام PsbS در گیاهان باعث افزایش کارایی مصرف آب در یک محصول شد، آزمایشگاه نیوگی به سرپرستی کریس نیوگی محقق ارشد این آزمایشگاه به دنبال یافتن راهی برای اصلاح بیان ژن یک گیاه بومی بدون وارد کردن دی‌ان‌ای خارجی شد.

سازمان جهانی غذا و کشاورزی می‌گوید برنج بیش از ۲۰ درصد کالری جهانی را تامین می‌کند. به گفته محققان، یک کپی از سه ژن کلیدی محافظت از نور، آن را برای این مطالعه ویرایش ژن ایده‌آل کرده است.

استراتژی این آزمایشگاه، اصلاح دی‌ان‌ای ژن بالادستی هدف بود که میزان و زمان بیان ژن را با استفاده از کریسپر کس۹ تنظیم می‌کند. پژوهشگران در نظر داشتند تا تجزیه و تحلیل کنند که این تغییرات چقدر بر فعالیت‌های پایین دستی تأثیر می‌گذارد.

تقویت بیان ژن

تغییرات دی‌ان‌ای که بیان ژن را تقویت کرد، از انتظارات محققان فراتر رفت و از آنچه معمولاً در مطالعات مشابه مشاهده می‌شود نیز فراتر رفت.

پاتل می‌گوید: ما کمی شگفت‌زده شدیم، اما فکر می‌کنم نشان می‌دهد که گیاهان و محصولات چقدر انعطاف‌پذیری دارند. آنها به این تغییرات بزرگ در دی‌ان‌ای خود از میلیون‌ها سال تکامل و هزاران سال اهلی شدن عادت کرده‌اند.

دانشمندان در طول این تحقیق کشف کردند که معکوس کردن دی‌ان‌ای تنظیم کننده منجر به افزایش بیان ژن PsbS می‌شود. پس از بزرگترین وارونگی، این تیم توالی‌یابی آران‌ای را برای تجزیه و تحلیل تغییرات فعالیت ژن در سطح ژنوم انجام داد. آنها حداقل بیان ژن تفاضلی را مشاهده کردند که نشان می‌دهد روش آنها فرآیندهای حیاتی را بدون تداخل حفظ می‌کند.

اگرچه این تیم نشان داد که این رویکرد قابل اجراست، اما هنوز خیلی رایج نیست و تقریباً یک درصد از گیاهان تولید شده فنوتیپ مورد نظر را نشان دادند.

ما در اینجا یک اثبات مفهوم را نشان دادیم که می‌توانیم از کریسپر کس۹ برای تولید انواع ژن‌های کلیدی محصولات کشاورزی استفاده کنیم و همان جهش‌هایی را داشته باشیم که در روش‌های سنتی اصلاح نباتات انجام می‌دهیم، اما آن را بر روی یک ویژگی بسیار متمرکز که می‌خواهیم آن را مهندسی کنیم و در یک مقیاس زمانی بسیار سریع‌تر عملی کنیم.

پژوهشگران تاکید می‌کنند که استفاده از چارچوب موجود به جای گیاهان تراریخته، چالش‌های بیشتری را به همراه دارد، اما پتانسیل مقابله با موانع نظارتی را نیز دارد و به طور بالقوه دسترسی به چنین ابزارهایی را برای کشاورزان تسریع می‌کند.

جزئیات این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است