בעוד שמחקרים אחרים השתמשו בעריכת גנים CRISPR/Cas9 לנטרול או הקטנת ביטוי הגנים, במחקר החדש שפורסם ב-Science Advances השתמשו לראשונה בעריכת גנים ללא הטיה להגדלת ביטוי גנים ופעילות פוטוסינתטית בהמשך
צוות מהמכון לגנום חדשני באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי (UCB) הצליח להגדיל את ביטוי הגנים בגידולים חקלאיים על-ידי שינוי ה-DNA הרגולטורי העילי שלו. בעוד שמחקרים אחרים השתמשו בעריכת גנים CRISPR/Cas9 לנטרול או הקטנת ביטוי הגנים, במחקר החדש שפורסם ב-Science Advances השתמשו לראשונה בעריכת גנים ללא הטיה להגדלת ביטוי גנים ופעילות פוטוסינתטית בהמשך.
"כלים כמו CRISPR/Cas9 מזרזים את היכולת שלנו לכוונן את ביטוי הגנים בגידולים, ולא רק לנטרל גנים או לכבות אותם. מחקרים קודמים הראו שכלי זה יכול לשמש להקטנת ביטוי של גנים המעורבים בפשרות חשובות, כמו אלו בין מבנה הצמח לגודל הפרי," אמר דְרוּב פָּטֶל-טָפֶּר, מחבר מוביל של המחקר ולשעבר חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה של נִיוגי ב-UCB.
"זהו המחקר הראשון, לפי ידיעתנו, שבו שאלנו האם נוכל להשתמש באותה גישה להגדלת ביטוי גן ולשפר את הפעילות בהמשך בצורה בלתי מוטית."
בניגוד לאסטרטגיות של ביולוגיה סינתטית שמשתמשות בגנים מאורגניזמים אחרים לשיפור הפוטוסינתזה, הגנים המעורבים בתהליך הפוטופרוטקציה נמצאים באופן טבעי בכל הצמחים.
בהשראת מאמר של Nature Communications משנת 2018 ששיפר את יעילות השימוש במים של גידול מודל על-ידי ביטוי יתר של אחד מהגנים הללו, PsbS, בצמחים, המעבדה שבראשה עומד כריס ניוגי, רצו להבין כיצד לשנות את ביטוי הגנים הטבעיים של הצמחים מבלי להוסיף DNA זר.
לפי ארגון המזון והחקלאות של האו"ם, אורז מספק לפחות 20% מהקלוריות בעולם, וכיוון שיש לו רק עותק אחד של כל אחד משלושת הגנים המרכזיים לפוטופרוטקציה בצמחים, הוא היה מערכת מודל אידיאלית למחקר עריכת הגנים הזה.
מעבדת ניוגי ביצעה עבודה זו כחלק מפרויקט Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), פרויקט מחקר בינלאומי בהובלת אוניברסיטת אילינוי, שמטרתו להגדיל את ייצור המזון העולמי על-ידי פיתוח גידולי מזון שממירים את אנרגיית השמש למזון בצורה יעילה יותר בתמיכה של קרן ביל ומלינדה גייטס, קרן המחקר למזון וחקלאות ומשרד החוץ, חבר העמים והפיתוח של בריטניה.
התוכנית של המעבדה הייתה להשתמש ב-CRISPR/Cas9 לשינוי ה-DNA העילי של הגן המטרה, ששולט בכמות הגן ובזמן בו הגן יתבטא. הם תהו אם השינויים הללו ישפיעו על הפעילות בהמשך ובאיזו מידה. אפילו הם הופתעו מהתוצאות.
"השינויים ב-DNA שהגדילו את ביטוי הגן היו הרבה יותר גדולים ממה שציפינו וגדולים יותר ממה שראינו באמת מדווחים במחקרים דומים אחרים," אמר פָּטֶל-טָפֶּר, כיום עמית AAAS למדע ומדיניות טכנולוגית במשרד החקלאות של ארצות הברית.
"היינו קצת מופתעים, אבל אני חושב שזה מראה כמה פלסטיות יש לצמחים ולגידולים. הם רגילים לשינויים גדולים ב-DNA שלהם ממיליוני שנות אבולוציה ואלפי שנות ביות. כביולוגים של צמחים, אנחנו יכולים לנצל את 'מרחב התמרון' הזה כדי לבצע שינויים גדולים תוך שנים ספורות בלבד כדי לעזור לצמחים לגדול בצורה יעילה יותר או להסתגל לשינויי האקלים."
במחקר זה, החוקרים של RIPE למדו שהיפוכים, או 'הפיכה' של ה-DNA הרגולטורי, הביאו להגדלת ביטוי הגן של PsbS. מה שהיה ייחודי לפרויקט זה הוא שלאחר שבוצע ההיפוך הגדול ביותר ב-DNA, חברי הצוות ביצעו ניסוי ריצוף RNA כדי להשוות כיצד פעילות כל הגנים בגנום האורז השתנתה עם וללא השינויים שלהם.
מה שהם מצאו היה מספר קטן מאוד של גנים שבוטאו בצורה שונה, הרבה פחות ממחקרים דומים של פענוח גנום, מה שמעיד שהגישה שלהם לא פגעה בפעילות של תהליכים חיוניים אחרים.
פָּטֶל-טָפֶּר הוסיף שעל אף שהצוות הראה שהשיטה הזו אפשרית, היא עדיין לא בשימוש או שאחוזי ההצלחה נמוכים. כ-1% מהצמחים שהם יצרו היו בעלי הפנוטיפ הרצוי.
"הראינו כאן הוכחת קונספט, שאנחנו יכולים להשתמש ב-CRISPR/Cas9 כדי ליצור וריאנטים בגנים מרכזיים בגידולים ולקבל את אותן קפיצות כפי שהיינו מקבלים בגישות הרגילות של השבחת צמחים, אבל על תכונה ממוקדת מאוד שאנחנו רוצים להנדס ובפרק זמן הרבה יותר קצר" אמר פָּטֶל-טָפֶּר.
"זה בהחלט יותר קשה מאשר להשתמש בגישה של צמחים טרנסגניים, אבל על-ידי שינוי משהו שכבר קיים, ייתכן שנוכל להקדים בעיות רגולציה שיכולות להאט את האופן שבו אנו מקבלים כלים כמו זה לידיים של חקלאים."
CRISPR/Cas9, עריכת גנים, פוטוסינתזה, ביטוי גנים, אורז, גנום צמחים, גנים רגולטוריים, ניוגי מעבדה, פרויקט RIPE, חקלאות, גידולי מזון, יעילות פוטוסינתטית, שינוי אקלים, הנדסת צמחים, ביולוגיה סינתטית, מדעי הצמח, שיפור יבול, מחקר גנטי, אוניברסיטת קליפורניה ברקלי, אוניברסיטת אילינוי
