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Ingegneria genetica più precisa per le piante
L'ingegneria genetica delle piante è un processo che richiede molto tempo. I metodi attualmente utilizzati per fornire cambiamenti genetici sono imprecisi, quindi è spesso necessario generare migliaia di piante per trovarne una che abbia l'alterazione desiderata. Due articoli in questa settimana Natura dettagliare l'uso di una tecnologia genetica che consente agli scienziati di indirizzare i genomi delle piante in modo più preciso. Il metodo, che è stato precedentemente utilizzato negli animali e nelle cellule umane, può essere utilizzato per introdurre un nuovo gene, apportare piccole modifiche ai geni esistenti o bloccare l'espressione di un gene; consente inoltre di introdurre diversi cambiamenti genetici nella stessa pianta.
Fissaggio genetico: Utilizzando una nuova tecnica, i ricercatori hanno alterato un gene nelle piante di tabacco per renderle resistenti agli erbicidi. Le piante mostrate a sinistra sono in grado di prosperare se esposte a erbicidi, rispetto alle piante di controllo a destra.
Ora abbiamo un certo controllo sul codice genetico della pianta, dice Daniel Voytas , autore principale di uno degli articoli e genetista dell'Università del Minnesota. La tecnica non solo consente cambiamenti più precisi, ma aumenta notevolmente l'efficienza della generazione di piante geneticamente modificate da utilizzare come cibo o combustibile, o per assorbire carbonio e pulire l'ambiente. Se riesci a consegnare un gene nella stessa posizione ogni volta con precisione, ciò potrebbe cambiare il panorama normativo e ridurre il costo della creazione di queste piante transgeniche, dice.
Vipula Shukla, una scienziata presso Dow AgroSciences , che ha condotto l'altro studio, afferma che per gli scienziati delle piante, tutti gli strumenti convenzionali a nostra disposizione si basano su metodi che apportano modifiche casuali ai genomi delle piante. Questi metodi includono l'utilizzo di un vettore batterico per trasferire il DNA in una cellula vegetale o l'esplosione fisica di particelle rivestite di DNA nelle cellule. Il DNA introdotto in questi modi, dice Shukla, può atterrare ovunque all'interno del genoma della pianta e avere effetti collaterali non intenzionali come l'alterazione di un gene esistente o la produzione di più copie del gene di interesse. Gli scienziati in genere generano molte piante e poi le esaminano per trovare quelle in cui il cambiamento desiderato ha avuto successo.
Entrambi i nuovi studi, uno condotto da Dow e un altro da un consorzio accademico, hanno impiegato una tecnologia di targeting genetico chiamata nucleasi a dita di zinco, proteine sintetiche che possono mirare con precisione a posizioni nel genoma e apportare modifiche genetiche specifiche.
Le nucleasi a dita di zinco funzionano rompendo entrambi i filamenti di DNA in un sito specifico nel genoma. Questa doppia rottura spinge il macchinario di riparazione della cellula a riparare la frattura. Il macchinario cercherà spesso un pezzo di DNA simile alla regione danneggiata da copiare e incollare nel genoma. Fornendo un pezzo di DNA che contiene sequenze del gene originale con i cambiamenti desiderati, l'aggiunta di un nuovo gene o un cambiamento nella sequenza, gli scienziati possono indurre la cellula a modificare il codice genetico mentre ripara la rottura. La tecnologia può essere utilizzata anche per bloccare un gene sfruttando un altro meccanismo di riparazione in cui la cellula unisce semplicemente di nuovo insieme le due estremità rotte, che spesso elimina o inserisce nuove sequenze di DNA nel sito di riparazione, determinando un codice del DNA che puo' essere letto correttamente.
Il gruppo Dow ha utilizzato il metodo per introdurre due modifiche nel mais, una pianta spesso utilizzata per l'alimentazione degli animali. I ricercatori hanno preso di mira un gene coinvolto nella produzione di fitati, sostanze chimiche nel mais che la maggior parte degli animali non può digerire, e hanno usato il gene come piattaforma di atterraggio per inserire un altro gene che conferisce alla pianta tolleranza agli erbicidi. Allo stesso tempo, hanno interrotto il gene bersaglio in modo che la pianta produca meno fitati, che secondo Shukla possono anche accumularsi come rifiuti nel deflusso dell'acqua dalle fattorie. La capacità di impilare i tratti desiderati in questo modo non è facilmente realizzabile con le tecnologie esistenti.
Il gruppo accademico ha utilizzato un metodo simile, sviluppato dal Consorzio Dito di Zinco , un team internazionale di ricercatori impegnato nello sviluppo di una piattaforma pubblicamente disponibile per l'ingegneria delle nucleasi a dita di zinco. Piuttosto che aggiungere un nuovo gene in una pianta, i ricercatori hanno usato le nucleasi a dita di zinco per introdurre una sequenza genetica alterata in un gene esistente nelle piante di tabacco; la proteina codificata dal gene è un bersaglio di erbicidi e le alterazioni rendono le piante resistenti agli erbicidi. Voytas afferma che essere in grado di apportare cambiamenti così sottili all'interno di un gene offrirà ai ricercatori un nuovo modo di studiare la biologia delle piante.
Il metodo richiede ancora la generazione di più piante e il loro screening per trovare quelle che sono state alterate con successo, ma i numeri sono nell'ordine delle decine o centinaia, piuttosto che delle migliaia o delle decine di migliaia. Shukla stima che la tecnologia riduca di circa la metà il tempo necessario per progettare un impianto. Il metodo richiede anche la creazione di nucleasi a dita di zinco specifiche per una particolare applicazione. Shukla afferma che Dow sta già utilizzando la sua piattaforma per creare le molecole attraverso i suoi prodotti interni, nonché in progetti di ricerca accademica, e sta pianificando di concedere in licenza la tecnologia per uso accademico, commerciale e umanitario. Voytas afferma che lo Zinc Finger Consortium renderà il suo metodo disponibile pubblicamente e offrirà sessioni di formazione sulla tecnica.
Matteo Porteus , un biochimico dell'Università del Texas a San Antonio, che ha scritto un editoriale di accompagnamento in Natura , afferma che i due documenti sono i primi esempi di ricercatori che hanno selezionato un gene di interesse, progettando nucleasi a dita di zinco per quel gene e utilizzando le nucleasi per creare modifiche specifiche nelle piante. Porteus, che ha studiato le nucleasi a dita di zinco come metodo per la terapia genica negli esseri umani, afferma che l'interesse per le nucleasi a dita di zinco è cresciuto negli ultimi anni. Vengono utilizzati come un modo per creare mutazioni precise nel pesce zebra, e una sperimentazione clinica umana è appena iniziata che testerà l'uso delle nucleasi a dita di zinco per creare alterazioni genetiche nelle cellule T dei pazienti con HIV, con la speranza di rendere le loro cellule sono più in grado di combattere le infezioni.