إنجاز علمي يحسن بشكل كبير قدرة الباحثين على هندسة النباتات والفطريات

إنجاز علمي يحسن بشكل كبير قدرة الباحثين على هندسة النباتات والفطريات
مصر -ايهاب محمد زايد
إن القدرة على هندسة النباتات وراثيًا ترجع إلى حد كبير إلى مساعد مجهري: بكتيريا تسمى Agrobacterium tumefaciens . تسبب Agrobacterium في البرية أورامًا ضارة في النباتات المزهرة، بما في ذلك بعض المحاصيل المهمة اقتصاديًا، ولكن قدرتها على إدخال الحمض النووي الخاص بها في النباتات المضيفة هي ما يجعلها آفة للمزارعين ولكنها أيضًا أداة قوية للتكنولوجيا الحيوية. يُظهر بحث جديد نُشر اليوم في مجلة Nature Biotechnology من مختبر باتريك شيه ، وهو باحث في معهد الجينوم المبتكر (IGI) بجامعة كاليفورنيا في بيركلي ونائب رئيس قسم المواد الخام ومدير تصميم النظم الحيوية النباتية في معهد الطاقة الحيوية المشترك (JBEI)، أن بعض التغييرات البسيطة على Agrobacterium يمكن أن تحسن بشكل كبير من كفاءة إدخال الحمض النووي إلى الجينوم ، والمعروف أيضًا باسم “التحول”، وتفتح فرصًا جديدة لتحويل نباتات المحاصيل والفطريات الأخرى.
أصبحت عملية التحول بوساطة Agrobacterium، أو AMT، أداة مستخدمة على نطاق واسع في كل من التكنولوجيا الحيوية النباتية والفطرية في العقود الأخيرة.
خريطة مبسطة لبلازميد ناقل ثنائي يظهر الحمض النووي الدائري مع منطقة تحمل علامة “أصل التضاعف” ومنطقة أخرى تحمل علامة “الحمض النووي المُدرج”
خريطة مبسطة للناقل الثنائي أو البلازميد تظهر الحمض النووي الذي ينوي الباحث إدخاله في الكائن المضيف، ومنطقة العمود الفقري، وأصل التضاعف، وهو محور هذا البحث.
يوضح المؤلف الأول ماثيو سزارزانوفيتش: “إن AMT، على مستوى عالٍ حقًا، ما هي إلا أداة لإدخال الحمض النووي إلى الخلايا المستهدفة . في البرية، إنها مسببات أمراض نباتية تقوم بإدخال قطعة صغيرة من الحمض النووي الخاص بها في النبات مما يتسبب في ورم يأوي البكتيريا”.
وقد استغل الباحثون هذا النظام وبسطوه في ثمانينيات القرن العشرين للسماح لعلماء الأحياء النباتية بإدخال الحمض النووي إلى جينومات النباتات. وتم تبسيط النظام البكتيري الأكثر تعقيدًا إلى بلازميد دائري صغير يسمى “ناقل ثنائي” تم تصميمه لحمل الحمض النووي المطلوب ونقله إلى خلايا النبات.
على مدى العقود الماضية، لم يفكر علماء النبات الذين يقومون بتحليل الجينات الوراثية في بنية المتجه الثنائي نفسه كثيرًا: فهم يستخدمون متجهات استخدمتها مختبرات أخرى في الماضي، ويضيفون إليها الحمض النووي الخاص بها، ويأملون في الأفضل. ولم يتم إيلاء سوى قدر ضئيل نسبيًا من الاهتمام لتسلسل العمود الفقري للمتجه الثنائي.
يقول سزارزانوفيتش: “ما أردنا أن نسأله هو: هل هذا نظام مُحسَّن؟ لقد كان لدينا إحساس قوي بأن الإجابة كانت لا، لأنه لم تكن هناك محاولة على الإطلاق لتصميمه لجعله أكثر ملاءمة لـ AMT”.
حدود تحويل النبات
يقول شيه: “إن إحدى المشكلات هي أن الغالبية العظمى من النباتات لا يمكن تحويلها فعليًا بواسطة Agrobacterium، لذا فهناك مشكلة التنوع. ولكن حتى بالنسبة للنباتات التي يمكنك تحويلها، يمكن أن يكون هناك طيف واسع جدًا من مدى قدرتها على التحول”.
بالنسبة للتكنولوجيا الحيوية، تعتبر الكفاءة أمرًا بالغ الأهمية. إن إجراء تحويل النبات يستغرق وقتًا طويلاً ويتطلب موارد مكثفة ومكلفة. وكلما قل عدد مرات الفشل، كلما أصبح تنفيذه على نطاق واسع أسرع وأقل تكلفة.
يهتم الباحثون في معهد IGI ومعهد JBEI بشكل خاص بمحصول الذرة الرفيعة لاستخداماته المحتملة في إنتاج الوقود الحيوي المتقدم والمنتجات الحيوية وكذلك لإزالة الكربون من الغلاف الجوي. لكن الذرة الرفيعة لا تتعاون دائمًا.
“يمكننا تحويله باستخدام Agrobacterium، لكن الأمر يكلف الكثير من المال والوقت”، كما يوضح شيه. “ولكن إذا كان بإمكانك زيادة وتسريع عملية تحويل النبات والحصول على المزيد من الأحداث من تسديدة واحدة على الهدف، فقد يوفر ذلك الكثير من الوقت والمال حقًا.”
مزيد من النسخ، مزيد من النجاح
تحتوي تسلسل العمود الفقري للناقل الثنائي على منطقة تُعرف باسم أصل التضاعف، وهي المنطقة التي يبدأ فيها تضاعف الحمض النووي – وهو أمر ضروري لكي يتكاثر البلازميد. تتحكم هذه المنطقة أيضًا في عدد نسخ البلازميد المنتجة، والتي يمكن أن تتراوح من نسخة واحدة فقط إلى عدة مئات. أشارت الدراسات السابقة إلى أن أعداد النسخ الأعلى قد تؤدي إلى تحويل أكثر كفاءة. شرع الفريق في معرفة ما إذا كان بإمكانهم التحكم في ذلك من خلال هندسة البلازميدات بأعداد نسخ أعلى وأعلى.
لاختبار ذلك، نظر الفريق إلى أربعة مصادر مختلفة للتكرار المستخدمة في AMTs، وهندسة الطفرات العشوائية ، واستخدم اختبار التطور الموجه الذي سمح لهم باختيار الأفراد الذين لديهم أعداد نسخ أعلى.
“ثم عدنا ووجدنا كل هذه الطفرات، وأثبتنا أن بعضها أدى بالفعل إلى زيادة عدد النسخ. ثم استخدمنا هذه البلازميدات للناقل الثنائي الذي تستخدمه البكتيريا لإطلاق الحمض النووي إلى جينوم النبات”، كما يقول شيه.
وبزيادة عدد النسخ، أكد الفريق أنه يمكنهم تحسين كفاءة التحويل، وكانت النتائج أكثر دراماتيكية مما توقعوا. فقد تمكنوا من تحسين كفاءة التحويل في النباتات بنسبة تصل إلى 100%، وفي الفطريات بنسبة تصل إلى 400%، وكل ذلك من خلال إضافة طفرات نقطية بسيطة إلى أصل التضاعف.
وبالإضافة إلى تحسين قدرة علماء النبات على إدخال الجينات في النباتات، فإن هذا الاكتشاف له أيضًا تأثيرات كبيرة على تحرير الجينات CRISPR في النباتات.
“تتمثل إحدى المشكلات الكبيرة، ليس فقط في النباتات، بل وأيضًا في أشياء أخرى نريد تعديلها، في توصيل كواشف CRISPR”، يوضح شيه. “أنت تقدم CRISPR- Cas9 ، وتجري تعديلك وتتخلص منه، لذا فهو غير معدل وراثيًا ، ولا يزال يتعين عليك أن تكون قادرًا على توصيله إلى الخلية في المقام الأول. في معظم الأحيان، نفعل ذلك مع Agrobacterium، لذا فإن السؤال هو كيف يمكننا توصيل كاشف Cas9 بكفاءة أكبر لإجراء هذا التعديل؟”
ويأمل شيه وزارزانوفيتش أن يؤدي هذا العمل إلى مزيد من التحكم في عملية التحول، مما يخفف من مشكلة رئيسية في هندسة النباتات والفطريات.
يقول سزارزانوفيتش: “نأمل أن ينظر علماء النبات إلى هذا الأمر ويقولون، ربما هناك المزيد الذي يجب أن نفكر فيه عندما نحاول تحسين هذه الأنظمة وربما يمكننا الآن استخدام مجموعة الأدوات هذه للبدء في العبث بأنواع أخرى لمعرفة ما هو الأفضل”.
نباتات أرابيدوبسيس صغيرة من نفس تجربة التحويل تعبر عن صبغة حمراء، مما يوضح التباين الذي يمكن أن يحدث في نتائج التحويل. إن زيادة كفاءة التحويل والتحكم في النتائج يمكن أن يساعد بشكل كبير في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية النباتية في العالم الحقيقي. (الصورة: ماثيو سزارزانوفيتش)
ويرغب شي في معرفة كيف سيؤثر هذا النهج على التطبيقات الفطرية وكذلك النباتات.
يقول شيه: “لم تتطور البكتيريا الأجروبكتيرية لتحويل الفطريات، ولكن هذا ممكن، وبالتالي يمكننا تحسين هذه العملية. والآن لدينا هذا الهيكل لمحاولة تحويل العديد من الفطريات غير ذات الصلة بالصناعة بشكل أفضل والتي لها أهمية كبيرة لصناعات مختلفة من شركات الأدوية إلى الشركات التي تصنع المواد الحيوية من الفطريات