2019-02-26 08:16:01
对于纳米管 植物中的基因工程很容易

在植物中插入或调整基因比科学更具艺术性,但是加州大学伯克利分校开发的一种新技术,科学家可以对任何类型的植物进行基因工程改造 - 特别是使用CRISPR-Cas9进行基因编辑 - 简单快速。

为了提供基因,研究人员将其移植到碳纳米管上,碳纳米管足够小,可以轻松穿过植物坚韧的细胞壁。迄今为止,植物的大多数基因工程是通过将基因发射到组织中来完成的 - 这一过程称为生物射弹 - 或通过细菌传递基因。两者在一小部分时间内都是成功的,这对于寻求创造抗病或抗旱作物的科学家来说是一个主要限制,或者是为了更好地转化为生物燃料而设计植物。

然而,纳米管在将基因递送到细胞核中以及进入叶绿体中是非常成功的,叶绿体是细胞中使用当前方法更难以靶向的结构。叶绿体具有自己独立的,虽然很小的基因组,吸收光并储存其能量供将来使用,在此过程中释放氧气。对于现在试图提高光能捕获效率以提高作物产量的科学家来说,一种简单的基因传递技术将是一个福音。

纳米管不仅可以保护DNA免受细胞的降解,还可以防止它被插入植物的基因组中。因此,该技术允许基因修改或删除,在美国和欧盟以外的国家不会触发“转基因”或GMO的名称。

加州大学伯克利分校的化学和生物分子工程助理教授Markita Landry说:“其中一个优点就是用这样的技术节省了时间。” “但我认为,主要的进步将是能够快速有效地将基因传递给跨物种的植物,并且能够在不将外源DNA整合到植物基因组中的情况下生成转基因植物系。”

一个关键用途是CRISPR-Cas9基因编辑:为Cas9提供基因,Cas9是靶向和切割DNA的酶,以及DNA编码指南RNA-Cas9的地址标记 - 以高精度编辑特定基因。与纳米管结合的DNA非常耐寒。

“我们评估了结构的稳定性和成本,并且在两个方面,这都适用于车库科学,”兰德里说。 “你可以把这些东西放在一个信封里,然后把它们邮寄到任何地方。你不需要冰箱,基因枪,细菌;你不需要很多东西与它们一起工作,它们可以稳定几个月。我们可以大规模生成它们,冻结它们,解冻它们 - 它们是强大的小东西。“

兰德里和她的同事将于2月25日在“自然纳米技术”杂志上发表之前在线报道他们的结果。

CRISPR交付

兰德里发现纳米管很容易通过植物细胞壁滑动,而植物细胞壁以其坚韧的层而闻名,同时试图用纳米管传感器标记细胞。传感器最终进入细胞内,而不是细胞表面。

她立即看到了如何翻转它以将基因传递到植物中。目前的方法很麻烦并且可以是低产率的。使用基因枪具有破坏性;这就像在植物细胞中吹一个洞,希望你的基因和细胞都存活下来。并非所有植物都可以被携带基因的土壤杆菌感染,另一种使用致病病毒携带基因的技术适用于更窄范围的植物,并且有可能将病毒DNA插入植物的基因组中。所有这些都必须针对每种植物进行定制,并将所提供的DNA整合到基因组中:GMO的定义。

兰德里和她的同事们渴望尝试一下,将绿色荧光蛋白(GFP)的基因包裹在纳米管周围,并将其注入从当地的Whole Foods Market购买的有机芝麻菜叶中。在一天之内,植物细胞在紫外光下发出绿光,表明GFP基因已被转录并转化为蛋白质,就好像它是植物自身的基因一样。

然而,这种效果仅持续了几天,可能是因为蛋白质被回收,DNA逐渐降解。

然而,短寿命不是缺点。

“使平台独特的部分原因是表达是短暂的。当我们在7到10天后在显微镜中观察时,表达消失,荧光消失。农杆菌不是这种情况,”兰德里说。对于研究植物如何工作的科学家来说,短时间表达基因可以告诉他们很多基因在细胞中的作用。

“然而,为了成为一个广泛有用的平台,我们需要表达一种蛋白质,它本身对核基因组具有永久性影响,”她补充说。

她的计划是将DNA包装成单链质粒,然后将其连接到碳纳米管上。在扩散到细胞后的两三天内,Cas9蛋白和CRISPR指导RNA都会被表达,使它们连接起来形成永久性编辑基因组的核糖核蛋白复合物。她没有发现纳米管的任何毒性作用。

“所以,现在你有一个经过编辑的植物,但在欧洲之外,这将被视为非转基因植物,”她说。

充电纳米管

她和她的同事测试了其他植物的纳米管递送:烟草,植物遗传的主力;棉花,其基因组众所周知难以破解;和小麦。这些植物的基因工程版本已经上市,但简化的技术可以加速新的和有益的基因的引入。例如,烟草已经被设计用于生产诸如抗癌药物的药物。

虽然兰德里和她的同事还不完全了解纳米管的输送方式,但纳米管的轻松进入并不是一件令人惊讶的事,她说。植物的细胞壁如果小于约5至20纳米,则容易滑入,这远小于哺乳动物细胞的500纳米尺寸限制。纳米管的直径约为1纳米,但它们的长度约为300纳米:足以容纳数十个基因。植物细胞大约为10,000纳米。

她和她的实验室同事尝试了各种将DNA连接到纳米管上的技术,发现最紧密的结合效果最好。当研究人员在引入DNA之前给纳米管带正电荷时,它像纸一样粘在充满静电的梳子上。

她现在正在进行DNA折纸纳米颗粒的实验,以更好地了解纳米管和DNA进入后植物细胞内发生的情况,并正在尝试将纳米管输送到其他类型分子,特别是RNA和蛋白质的植物中。

“这些碳纳米管的惊人之处在于它们能够通过细胞壁并进入细胞核或进入叶绿体。这是一项新的进步,它使我们能够真正实现基因组编辑的工具,” Brian Staskawicz是植物和微生物生物学教授,也是创新基因组学研究所农业科学主任,该研究所正在为兰德里及其团队的CRISPR交付工作提供资金。 “接下来的步骤是,我们可以提供核糖核蛋白,还是可以提供实际编码CRISPR-Cas9的mRNA或DNA?”

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