Używanie roślin jako biofrabryk

Tu mamy jedno konkretne zastosowanie, wytwarzanie feromonów, nie jest jednak całą historią. To tylko jedna z możliwości. Przyjrzyjmy się, co zrobili naukowcy.

Celem badania było zmodyfikowanie gatunku rośliny tytoniu, by wytwarzała feromony żeńskich ciem. Rośliny tytoniu są często wykorzystywane w tych badaniach, ponieważ jest to organizm „modelowy”, o którym wiemy bardzo dużo, w tym znamy pełen genom wielu odmian. (Istnieje również wiele innych powodów – krótki cykl wzrostu wynoszący 3 miesiące, dobry do hodowli tkankowych, dający wiele nasion z krzyżówki itp.) Zainteresowanie feromonami ćmy wiąże się z ich potencjalnym zastosowaniem do zwalczania szkodników. Pomysł polega na replikacji feromonów, które uwalniają samice ćmy określonego gatunku, by przyciągnąć samce. Przyciągnie to wszystkie miejscowe samce i odwróci ich uwagę od samic, co znacznie ograniczy reprodukcję i populację szkodników. Może to być potencjalnie znakomita forma zwalczania szkodników, która nie obejmuje stosowania pestycydów do samych roślin.

Feromony mogą być trudne do wytworzenia w normalnych procesach chemicznych. Cząsteczki są złożone i często są uwalniane jako kombinacja cząsteczek w określonych proporcjach, które są unikalne dla każdego gatunku. Bioinżynieria rośliny takiej jak tytoń w celu masowej produkcji feromonów w odpowiednich proporcjach może sprawić, że ich zastosowanie w rolnictwie stanie się bardziej prawdopodobne i opłacalne. Przemysł rolniczy jest ogromny, a marże zysku są bardzo niskie, dlatego każde (nawet niewielkie) obniżenie kosztów ma duży wpływ.

Naukowcy wykazali, że mogą wprowadzić transgeny feromonów ćmy do tej odmiany tytoniu, a rośliny zaczną wytwarzać pożądane feromony. Ale to nic nowego. Nieco nowszą częścią jest to, że byli w stanie wykazać wysoki poziom regulowanej kontroli ekspresji tych genów. W przypadku bioinżynierii nie wystarczy po prostu wstawić obcy gen, by rozpocząć wytwarzanie jego białka. Musisz także wstawić elementy regulacyjne – fragmenty DNA, które włączają i wyłączają gen. Kontrolowanie ekspresji genów ma kluczowe znaczenie z kilku powodów.

Po pierwsze, naukowcy chcieli mieć możliwość wprowadzenia kilku genów feromonów do tej samej rośliny i kontrolowania ilości każdego feromonu wytwarzanego przez roślinę. Ma to na celu uzyskanie proporcji właściwej dla docelowego gatunku ćmy. Wymaga to wysokiego poziomu zrozumienia, jak działa regulacyjne DNA i jak dokładnie je kontrolować.

Po drugie, musieli dostosować ogólną ilość produkowanych feromonów w porównaniu do wszystkich innych genów w roślinie. Odkryli, że kiedy podkręcili ekspresję genu feromonu zbyt wysoko, zahamowało to wzrost rośliny, ponieważ nie wytwarzała ona wystarczającej ilości białek potrzebnych do wzrostu i rozwoju. Zbyt wiele energii i maszynerii było kierowane na wytwarzanie feromonów. Zmniejszyło to produkcję netto feromonów poprzez zmniejszenie całej biofabryki. Dlatego musieli znaleźć punkt centralny – maksymalną ilość feromonów, które rośliny mogą wytworzyć bez zahamowania ich wzrostu, żeby zmaksymalizować wydajność netto. To również wymaga możliwości precyzyjnej kontroli ekspresji genów.

To więc znaleźli:

Pokazujemy, że miedź może być stosowana jako tania cząsteczka do ściśle regulowanej indukowalnej ekspresji. Ponadto pokazujemy, w jaki sposób architektura konstruktu wpływa na względną ekspresję genów, a w konsekwencji na wydajność produktu w konstruktach wielogenowych. Porównujemy szereg syntetycznych ortogonalnych elementów regulatorowych i demonstrujemy maksymalne wydajności z konstruktów, w których ekspresja odbywa się za pośrednictwem syntetycznych aktywatorów transkrypcji opartych na dCas9.

Tu warto zwrócić uwagę na dwie rzeczy. Po pierwsze, byli w stanie wykorzystać miedź (która jest już stosowana jako pestycyd i jest bezpieczna i opłacalna w rolnictwie) jako zewnętrzny wyzwalacz ekspresji genów – tak zwana ekspresja indukowalna. Dlatego nie tylko kontrolują ekspresję poprzez same zmiany genetyczne, ale są w stanie wywołać ekspresję z zewnątrz i kontrolować czas produkcji. Po drugie, odkryli, że architektura łączenia wielu genów wpływa na ich ekspresję.

W wyniku tych mechanizmów kontrolnych byli w stanie zmaksymalizować wydajność feromonów. Ta konkretna aplikacja jest obiecująca, ale musi zostać przetestowana w terenie. Muszą faktycznie wytworzyć i oczyścić feromony i rozmieścić je na polu, aby przetestować ich skuteczność.

Ale ważniejsza niż ta jedna aplikacja jest podstawowa technologia. Choć przyrostowo, ilustruje to ważny postęp w naszej zdolności rozumienia i kontrolowania ekspresji genów dla złożonych cząsteczek w roślinach. Może to dodać do opcji bioinżynierii, które już mamy do wytwarzania rzeczy takich jak insulina. Możemy opracować bakterie lub drożdże, hodować je w dużych kadziach i kazać im wypompowywać leki, które w przeciwnym razie są trudne do syntezy lub muszą być pozyskiwane od zwierząt. Możemy to również zrobić w fabrykach, ale dodanie regulowanej kontroli zwiększa moc i użyteczność tej technologii.

Nie uważam, że jakakolwiek forma tej technologii jest z natury lepsza. Każda z nich zostanie wykorzystana do celów, do których najlepiej się nadaje. Jednak dobrze jest mieć więcej opcji. Rośliny mogą być lepsze w wytwarzaniu pewnych rodzajów cząsteczek niż drożdże lub bakterie.

Wyobraź sobie, że przestawienie (przynajmniej częściowo) ogromnych farm tytoniowych na świecie z wytwarzania szkodliwego produktu, który zabija ludzi, na leki i produkty przydatne w rolnictwie. To nie jest naciągane. Liczy się wartość tych roślin jako upraw dochodowych. Jeśli rośliny tytoniu wytwarzające feromony będą bardziej wartościowe na rynku niż tytoń używany do wyrobów tytoniowych, rolnicy będą mieli motywację do przestawienia się. Być może warto byłoby znaleźć bioinżynieryjne zastosowania komercyjne dla roślin koki.

Using Plants as Biofactories

NeuroLogica Blog, 11 kwietnia 2023

Tłumaczenie; Małgorzata Koraszewska

*Steven Novella 

Neurolog, wykładowca na Yale University School of Medicine. Przewodniczący i współzałożyciel New England Skeptical Society. Twórca popularnych (cotygodniowych) podkastów o nauce The Skeptics’ Guide to the Universe. Jest również dyrektorem Science-Based Medicine będącej częścią James Randi Educational Foundation (JREF), członek Committee for Skeptical Inquiry (CSI) oraz członek założyciel Institute for Science in Medicine. Prowadzi blog Neurologica.