IGI科学家利用纳米技术偷偷摸摸 的DNA 进厂 细胞, 创造了一种新的交付方式 CRISPR-Cas9.
随着世界变暖，我们如何养活不断增长的人口？ 基因组编辑 是生产能够承受气候变化带来的天气和生态系统变化的作物的关键，但提供 基因组 编辑工具对植物来说是一个重大挑战。 在一篇论文中 今日公布 in 自然纳米技术，加州大学伯克利分校的 IGI 研究人员报告了植物基因组编辑的重大进展：使用碳纳米管将 DNA 输送到植物细胞进行基因组编辑。
编辑植物的工具
植物对潜在的基因组编辑者构成了严峻的挑战。 与动物细胞一样，植物细胞也使用 DNA 等工具进行编辑， RNA及 蛋白质 它们需要穿过细胞膜，然后进入细胞核，即基因组所在的隔室。 与动物细胞不同，植物细胞有细胞壁：由坚韧的植物纤维制成的保护性外层。 这种刚性结构有助于赋予植物细胞形状，并保护它们免受感染和脱水——但同时也起到栅栏的作用，将基因组编辑蛋白等大分子拒之门外。
目前，科学家们使用一些方法来穿过细胞壁。 一种常见的方法是选择一个 菌 自然感染植物以传递 DNA 基因 对于想要的特征——换句话说，利用方式 微生物 已经想通了要越过细胞壁。 如果细菌不能被设计为感染某种植物物种，下一个方法是“基因枪”：研究人员将金属纳米粒子包裹在 DNA 中，然后将它们像小子弹一样“射入”植物细胞。
这些方法有一些共同的缺点：两者的效率通常都很低，这意味着 DNA 只能进入一小部分细胞，而且大多数细胞实际上不会对其基因组进行编辑。 此外，进入的 DNA 会在随机位置整合到植物自身的基因组中。 有时，这些位置位于重要基因的 DNA 序列内，这会阻止它们工作。
进入场景：碳纳米管
跨学科合作激发创新，而 IGI 将不同领域的研究人员聚集在一起来做到这一点。 两位 IGI 研究人员， 马克塔兰德里，化学家和生物工程师，和植物生物学家 Brian Staskawicz 一起寻找一种新的纳米技术方法来编辑植物。
碳纳米管是微小的空心圆柱体，直径只有一纳米，完全由碳制成。 它们不寻常的分子特性，如强度、柔韧性和导热能力，使它们在纳米技术、电子和相关领域的各种应用中具有重要价值。
Landry、Staskawicz 和他们实验室的研究人员共同努力在 DNA 中覆盖碳纳米管的表面。 细胞壁就像一道栅栏，将大多数分子挡在外面。 但是因为碳纳米管太窄了，它们可以滑过细胞壁，就像滑过链环围栏的链接一样。 在他们的实验中，IGI 团队发现碳纳米管传输的效率高达 85-95%——显着高于当前技术——并且没有有害的副作用。
在碳纳米管上提供 CRISPR
当碳纳米管将 DNA 输送到植物细胞时，细胞以 DNA 作为模板来制造蛋白质和 RNA。 十天左右，自然 酶 在细胞中分解纳米管传递的 DNA。 IGI 团队希望在未来使用它来提供 CRISPR-Cas9 基因组编辑工具：“如果我们 表达 Cas9 及其 向导RNA——它可以编辑基因组，几天之内DNA解体，Cas9解体，但你可以编辑，”兰德里解释说。
在这个应用中，碳纳米管将被包裹在编码 Cas9 蛋白和引导 RNA 的 DNA 中，它们共同编辑特定基因。 基因组编辑工具存在的时间刚好足以在被植物分解之前编辑植物的 DNA，不留下任何足迹。 植物的 DNA 只会在科学家希望改变的特定地点发生改变。 这意味着与当前的一些植物基因组编辑方法不同，不会将外来 DNA 插入植物基因组中。 如果这些植物成为食物链的一部分，人们就不会吃 Cas9 或任何其他分子生物学工具：只是改变基因的大米使其营养更丰富，或者改变基因的草莓使它们对蛞蝓不那么美味.
更难、更好、更快、更强：编辑叶绿体
植物中许多最重要的基因都被隐藏在一个仍然遥不可及的结构中：叶绿体。 叶绿体是植物在光合作用过程中利用阳光产生能量的细胞室。 与线粒体一样，叶绿体也是从细菌进化而来的，并且拥有自己的基因组，为许多重要的光合作用基因编码。 编辑叶绿体基因可以增加光合作用产生的能量，从而使植物长得更大、更快，并产生更多的产量。 但是编辑叶绿体基因组比编辑植物细胞的主要基因组更具挑战性：基因组编辑工具不仅需要穿过细胞壁，还需要找到叶绿体，并穿过叶绿体膜。 细菌植物递送工具无法做到这一点，基因枪成功率很低。
“当我们进行追踪研究以查看纳米颗粒的最终位置时，”兰德里说，“它们会进入细胞核和叶绿体。 估计纳米管最终存在于超过 90% 的叶绿体中，这表明我们可能有一种将基因传递到叶绿体的高通量方式，这将远远超过当前技术的能力。” 碳纳米管可能成为编辑叶绿体基因组的主要工具。
接下来的步骤
“到 2050 年，我们将不得不将粮食产量提高 70%。 我们如何以更耐用、更可持续的方式生产植物？ 这就是挑战，”研究作者 Brian Staskawicz 解释说。 “而且我认为基因组编辑实际上让我们能够做到这一点。 将 允许我们这样做——它目前仍处于起步阶段。”
如果它有效，科学家们可以使用这种方法迅速采取行动应对 病原体、害虫和干旱威胁着大豆等重要粮食作物，并保护我们最喜爱的作物，例如 可可 和咖啡，它们正受到传染病和气温上升的威胁。
“这些碳纳米管的惊人之处在于它们能够穿过细胞壁并进入细胞核或叶绿体。 Staskawicz 说，这是一项新的进步，使我们能够真正部署用于基因组编辑的工具。 “接下来的步骤是，我们可以提供核糖核酸蛋白，还是可以提供实际编码 CRISPR-Cas9 的 mRNA 或 DNA？” 答案触手可及。
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这项研究发表在该杂志的网络版上 自然纳米技术 作为“高纵横比纳米材料能够在成熟植物中无需 DNA 整合的情况下传递功能性遗传材料。” 除了 Landry 和 Staskawicz，合著者还有 Gozde S. Demirer、Huan Zhang、Juliana L. Matos、Natalie S. Goh、Francis J. Cunningham、Younghun Sung、Roger Chang、Abhishek J. Aditham、Linda Chio 和 Myeong -周杰。
创新的 基因组学 Institute (IGI) 是加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校之间的一个非营利性学术合作机构，支持整个湾区的合作研究项目。 IGI 的使命是开发和部署基因组工程，以治愈疾病、确保粮食安全并为今世后代维持环境。 作为基因组编辑、功能基因组学和其他尖端技术的先驱，IGI 科学家不断突破科学的界限。
媒体联系
梅根 Hochstrasser：megan.hochstrasser@berkeley.edu
马克塔兰德里：landry@berkeley.edu
