Genen afleveren in mitochondriën van planten met behulp van met polymeer gecoate koolstofnanobuisjes

Algemeen schema van het SWNT-PM-CytKH9-afleversysteem. a Mitochondria-targeting (Cytcox in rood) en DNA-complexerende (KH9 in blauw) peptiden met een Cys op de C-terminus worden gefunctionaliseerd (inzet) via Michael-toevoeging aan de polymeerlaag (groen) op de SWNT. Het resulterende SWNT-PM-CytKH9 wordt gecomplexeerd met pDNA en via vacuüminfiltratie in A. thaliana gebracht. Beide peptiden bevatten een extra Cys-residu aan het C-uiteinde voor conjugatie aan de maleïmidegroep op het polymeer. b SWNT-PM-CytKH9 passeert de cel- en mitochondriale membranen om de pDNA-lading in de mitochondriën af te leveren en vrij te geven. Afhankelijk van het gebruikte pDNA kan het pDNA tijdelijk tot expressie worden gebracht of vóór expressie homologe recombinatie ondergaan. Credit: Natuurcommunicatie (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30185-y

RIKEN-biologen hebben een effectieve manier gevonden om genetisch materiaal de energiegeneratoren van plantencellen binnen te smokkelen, waardoor de mogelijkheid ontstaat om planten over te halen om commercieel bruikbare verbindingen te produceren. Hun onderzoek verschijnt in Natuurcommunicatie.

Aangezien de wereldbevolking naar verwachting in 2050 bijna 10 miljard mensen zal bereiken, zal het vermogen om te sleutelen aan de genetica van planten om de productie van voedsel te stimuleren van vitaal belang zijn om de wereld te voeden.

Verwacht wordt dat planten ook biofabrieken zullen worden voor de productie van nuttige chemicaliën zoals medicijnen en brandstoffen. “Ze kunnen worden ontworpen om andere dingen dan voedsel te produceren, zoals verschillende chemicaliën, farmaceutische producten en recombinante eiwitten”, zegt Simon Law van het RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS). “Het feit dat je met planten heel veel verschillende dingen kunt maken, maakt biotechnologie zo’n veelbelovend vakgebied.”

Een manier om planten te “herprogrammeren” is door genetisch materiaal in hun cellen te importeren, maar dit is een uitdaging vanwege de dikke celwand die veel biomoleculen blokkeert.

Koolstofnanobuisjes – opgerolde buizen van grafeen met een diameter van slechts een nanometer – zijn voldoende dun om door de celwand te glippen. Maar eenmaal in de plantencel zijn koolstofnanobuisjes niet erg effectief in het richten op mitochondriën – een belangrijk organel dat verantwoordelijk is voor het genereren van energie en het maken en afbreken van verschillende verbindingen.

“Het is moeilijk om dingen door de celwand, het celmembraan en vervolgens langs mitochondriënmembranen te krijgen en het was eerder niet met hoge efficiëntie bereikt”, merkt Law op.

Nu hebben Law, Keiji Numata, ook van CSRS, en collega’s koolstofnanobuisjes gebruikt om DNA-fragmenten met hoge efficiëntie naar de mitochondriën van planten te verzenden. Ze bereikten dit door eerst de koolstofnanobuisjes te coaten met een polymeerlaag die conjugatie mogelijk maakte van korte reeksen aminozuren die bekend staan ​​​​als peptiden. Dankzij de peptiden konden de koolstofnanobuisjes zich richten op mitochondriën.

Door de peptiden op koolstofnanobuisjes te conjugeren, verbeterde het team de efficiëntie van DNA-overdracht naar mitochondriën met een opmerkelijke 30 keer in vergelijking met eerdere pogingen waarbij alleen peptiden werden gebruikt.

“De eerste keer dat ik het experiment uitvoerde, twijfelde ik aan de resultaten omdat ze te hoog leken om redelijk te zijn”, herinnert Law zich. “Maar ik kreeg meer zelfvertrouwen nadat ik het een paar keer had herhaald en vergelijkbare resultaten kreeg.”

De onderzoekers toonden het nut van hun methode aan door een gen te importeren dat de groeisnelheid van planten verhoogde. Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer het versnellen van fokprogramma’s en het veranderen van metabole routes zodat ze commercieel bruikbare chemicaliën produceren. Door de peptiden die op de nanobuisjes zijn gecoat te variëren, zou het bovendien mogelijk moeten zijn om andere organellen in plantencellen te targeten.