כאשר יכולת עריכת הגנים מתפתחת, פיתחו חוקרי צמחים דרכים טובות יותלהשתמש בכלים המולקולריים שלהם בתוך התאים
תנובת היבול ויעילות צריכת המים יכולים להשתפר באמצעות שימוש בטכניקות עריכת גנים טובות יותר. כאשר מהנדסי חקלאות מרחבי העולם התאספו בלונדון בסוף אוקטובר, מטרות המחקר שלהם היו שאפתניות: לפתח אורז המשתמש במים ביעילות רבה יותר, דגנים שצריכים פחות דשן וקסאווה שהפוטוסינתיזה בה פועלת ב’טורבו’.
150 משתתפי הסדנה הציפו אותה ברעיונות שופעים לגדג’טים מולקולריים. הודות להתקדמות באוטומציה של הביולוגיה הסינתטית מספר פרויקטים התפארו בלמעלה מאלף גנים מהונדסים בכלים מולקולריים אחרים, אך הם לעיתים קרובות לא הצליחו להשיג את מטרתם. שיטות מיושנות ליצירת צמחים עם גנים מותאמים אישית – תהליך המכונה טרנספורמציה – הם מסורבלים ואיטיים.
לדברי ג’יילס אולדרויד ממרכז ג’ון אינס בנוריץ’ שבבריטניה – הדבר החשוב ביותר הוא לשפר את הטרנספורמציה של הצמח. דן ויאטס, ביולוג של צמחים באוניברסיטת מיניסוטה בסנט פול תוהה: “יש לנו חומרים כימיים חזקים, אבל איך מחדירים אותם לתוך התאים?”
במרכז הדיון עומדת בעיה של עשרות שנים: קשה לשנות את גנום הצמח ולאחר מכן לחדש את הצמח כולו מכמה תאים שעברו טרנספורמציה. טכניקות עריכת גנים כגון CRISPR-Cas9 מאפשרות היום את הנדסת היבול המתוחכמת ביותר שאי פעם ניתן היה להעלות על הדעת, מה שהופך את זה לעוד יותר מתסכל כאשר החוקרים נתקלים במחסום ישן.
ב-28 בספטמבר הודיעה הקרן הלאומית למדע בארה”ב (NSF) על צעדים להתגברות על התסכול הזה כאשר הכריזה שהיא תממן מחקרים בשיטות טרנספורמציה טובות יותר. זה אחד מארבעת הדגשים בתכנית מחקר גנום הצמחים שתקבל תקציב של 15 מיליון דולרים.
“כולם מסכימים שזהו באמת צוואר הבקבוק להנדסת הגנום”, אומר ניל סטיוארט, ביולוג הצמח באוניברסיטת טנסי, נוקסוויל, שהיה שותף בארגון סדנת NSF לשינויים בצמחים שהתקיימה בחודש נובמבר. “ואני חושב שיש מספיק עניין כרגע לנסות להמציא דרכים כדי לפתור את הבעיה לפחות עבור גידולים עיקריים.”
צמחים עקשנים כגון תודרנית לבנה המשמשת מעין עכבר המעבדה של הצמחים ניתנת לשינוי גנטית באמצעות חיידק שיכול לשתול גנים חדשים. חוקרים מכניסים את הגנים שהם רוצים לבדוק לתוך החיידק (Agrobacterium tumefaciens), ולאחר מכן משכנעים את החיידק להדביק את תאי הרבייה של הצמח. כאשר הצמח מתרבה, חלק מהצאצאים מבטאים את הגנים החדשים.
אבל זה לא עובד בגידולים רבים, ושימוש באגרו-בקטריות דורשת בדיקות נוספות מסוכנויות ממשלתיות כגון משרד הבריאות האמריקני משום שהיא עלולה להפוך את הצמח למזיק. כחלופה יכולים החוקרים להשתמש ב”רובי גן” העשויים חרוזי זהב מצופי דנ”א לתאי צמח. תאים אלה שטופים בהורמוני גדילה הם גורמים להתחדשות צמח מלא. צמחים מסוימים, כגון תירס מגיבים היטב לטיפול זה. אחרים, כגון חיטה ודורה, לא.
בגידולים סרבנים, עשוי התהליך לקחת חודשים של עבודת תרבית תאים מדוקדקת – אופטימיזציה של תנאי גידול וריכוזי הורמונים – להתחדש באופן מלא. התנאים הדרושים להצלחה עשויים להשתנות לא רק בין סוגי יבול שונים אלא גם בין צמחים מאותו המין.
“מומחים בטרנספורמציה של הצמח הם זן נדיר”, אומרת ג’ויס ון אק, מומחית כזו מאוניברסיטת קורנל באיתקה, ניו יורק. “יש הרבה אמנות במה שאנחנו עושים,” אמרה בסדנה בלונדון. “קשה למצוא אנשים עם הכשרה. תוסיף לזה מחסור במימון של שיטות חדשות, וחוקרים נאלצים להסתמך על טכניקות בנות עשרות שנים”.
סטיוארט ושותפיו פיתחו רובוט שמבצע תהליך המכונה טרנספורמציה פרוטופלאסטית באופן מהיר ומדויק יותר מאשר אפשרי ידנית. השיטה משתמשת באנזימים כדי לעכל את דופן התא, מה שמקל על החוקרים להחדיר גנים חדשים. הבעיה של התחדשות הצמח כולו, לעומת זאת, נשארה בעינה. החוקרים השתמשו בגישה דומה, ללא רובוטים, לבצע עריכה במערכת עריכת הגנים CRISPR-Cas9 במגוון של צמחים, כולל חסה ואורז.
שלבי תרבית תאים עדיין קשים. סטיוארט אומר כי אדם אחד במעבדה שלו עמל ללא הצלחה במשך שנים לשפר עשב גבוה שבו הוא משתמש למחקר ביו-דלק. עם זאת, העלות ההולכת ויורדת של אנזימים מאפשרת לחוקרים לבצע ניסויים נוספים, והרובוטיקה משפרת את התפוקה.
אחרים, כגון פרדי אלטפטר מאוניברסיטת פלורידה בג’ינסוויל, מחפשים חבילה של גנים, שכאשר היא מופעלת או מושבתת, הדבר יגרום טרנספורמציה והתחדשות בתאי הצמחים. “אני חושב שזה יוביל ליישום רחב הרבה יותר של הטכנולוגיה הזו, ויאפשר לאנשים שאינם מומחי תרבית תאים לבצע שיפורים אלה,” הוא אומר.
אבל החוקרים לא יכולים להרשות לעצמם להמתין להתפתחויות אלה, אומר אולדרויד. הפרויקט שלו, שמטרתו לפתח דגנים שישתמשו בחנקן מהקרקע בצורה יעילה יותר, בוחן מאות טרנסגנים באמצעות השיטות הישנות, והמסורבלות. “אנחנו רק צריכים להתאזר בסבלנות,” הוא אומר.
לכתבה בנייצ’ר
עוד בנושא באתר הידען:
